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Capítulo I. Introducción Fascículo 1 Presentación ¿Porqué el mundo de la química?

Capítulo II. De lo macro a lo micro Fascículo 2 ¿Qué tienen en común los materiales Materia y química. Los estados físicos de la materia Estructura y propiedades Los cambios de estado físico Cambios de estado físico al servicio del hombre Sólidos no tan "solidos" Líquidos no tan "líquidos" ¿De qué están hechos los materiales? Apoyo didáctico. ¿Qué es una partícula? De nuevo el atomismo... pero por la vía experimental... o por la fuerza de la evidencia Dalton y las bases de la Teoría Atómica Los primeros cambios a la Teoría Atómica de Dalton: átomos y moléculas Fascículo 3 La existencia de átomos: un excelente recurso explicativo ¿Después de Dalton qué? La naturaleza eléctrica de la materia El electrón: la primera evidencia de la "anatomía" del átomo Adiós al átomo indivisible Modelos atómicos o El modelo atómico de Dalton o El modelo atómico de Thomson o El átomo no será compacto nunca más El micromundo tiene sus propias leyes Fascículo 4 Representaciones del átomo ¿Partícula u onda? ¡Partícula y onda! ¿Son iguales los orbitales de un átomo? ¿Cómo se "ubican" los electrones dentro de un átomo? ¿Y cómo es el núcleo? La caída del último postulado de Dalton. Isótopos Fascículo 5 Arístides Bastidas Partículas y más partículas


Zoológico de partículas Murray Gell-Mann ¿Cuán grandes son el núcleo y el átomo? Micro y macromundo: dos realidades estrechamente relacionadas Nanoestructuras Isaac Asimov

Capítulo III. Elementos químicos Fascículo 6 ¿Cuán abundantes son los elementos químicos? El origen de los elementos químicos Concepto de elemento químico a través de la historia Metales, no metales y semimetales Venezuela, país rico en minerales Principales recursos minerales de Venezuela Nombres y símbolos de los elementos químicos Fascículo 7 La tabla periódica Desarrollo histórico de la tabla periódica La tabla periódica a través de su historia Orden en el caos: se organizan los elementos en la tabla periódica Organización de los elementos en la tabla periódica Fascículo 8 Propiedades periódicas Comportamiento de los elementos: propiedades periódicas Potencial de ionización La síntesis de elementos artificiales Descubriendo los fenómenos radiactivos ¿Qué es y de dónde viene la radiactividad?

Capítulo IV. Los compuestos químicos Fascículo 9 Los compuestos químicos Los nombres de los compuestos Denominando compuestos químicos Nombres comunes, triviales o vulgares, ¿cuál es la mejor forma de llamarlos? IUPAC: Una organización que supervisa el lenguaje de la química ¡Juntos y separados! Enlace químico Enlaces covalentes Fascículo 10


Enlace iónico Enlaces intermoleculares Mezclas y disoluciones Clasificando mezclas y disoluciones Mezclas y disoluciones iguales o diferentes Influencia de la temperatura y la presión en la solubilidad Concentración de las disoluciones Reacciones y ecuaciones químicas Fascículo 11 Elementos y compuestos. ¿cómo se comportan? Metales alcalinos y alcalino-térreos Los halógenos Uso trágico del cloro Gases nobles

Capítulo V. Los productos químicos Fascículo 12 Elementos en materiales manufacturados Gustavo Ascanio ¿Cómo sabes que has tenido un encuentro con la corrosión? Los aceros El aluminio Aluminio y metalurgia Ácido sulfúrico (H2SO4): El rey de los productos químicos Fascículo 13 Ácido fosfórico (H3PO4) Ácido nítrico (HNO3) El amoníaco (NH3) El óxido nítrico: Un compuesto importante para muchas funciones fisiológicas Fascículo 14 Abonos nitrogenados La química en la agricultura del siglo XIX en Venezuela Fritz Haber y las dos caras del proceso con su nombre El cemento Óxido de calcio Los productos cerámicos y el vidrio Nomenclatura de los productos químicos inorgánicos Sistemas de nomenclaturas para sustancias inorgánicas Flujograma para nombrar algunos compuestos inorgánicos

Capítulo VI. Las transformaciones químicas


Fascículo 15 Del Universo al Sistema Un mundo de moléculas Visión cualitativa de la correlación macro-micro. La clave: Su indispensable estructura Las fórmulas químicas Visión cuantitativa de la correlación macro-micro. La clave: Su prodigioso mol Cantidad de materia y cantidad de sustancia: Dos propiedades diferentes pero relacionadas El nivel microscópico: Asignación de masas a los átomos y a las moléculas Fascículo 16 El nivel macroscópico: Masas molares Misión de las moléculas: Cambiar en busca de la estabilidad Ley de Conservación de la Masa Medir y cuantificar, ¿Para qué? Ley de las Proporciones Definidas Ley de las Proporciones Múltiples Ley de los Volúmenes de Combinación Fascículo 17 Joseph Louis Gay Lussac Ley de Avogadro Amadeo Avogadro Igualando o balanceando ecuaciones ¿Se cumplió eficazmente la misión de las moléculas? Del papel a la realidad La energía asociada con las reacciones químicas Combinando ecuaciones termoquímicas Transferencia energética entre reacciones Fascículo 18 Energía de activación Los valiosos catalizadores Imprescindibles enzimas Mientras más concentrado, más rápido La condición de estado estacionario Estado de equilibrio ¿Es importante conocer los términos relacionados con las transformaciones de la materia? ¿Qué decir de la energía de activación?

Capítulo VII. El agua y su mundo Fascículo 19 Importancia del agua El planeta azul y el color del agua El ciclo del agua


Henry Cavendish ¿Qué tipo de compuesto es el agua? El puente de hidrógeno y el agua El agua es un regulador térmico muy estable Agua: Un solvente como pocos Fascículo 20 Más sobre soluciones de gas en líquido ¿Qué es el agua dura? ¿Conduce el agua la corriente eléctrica? El pH, ¿qué es? Conozcamos los ácidos y las bases Los conceptos de ácido y base Relatividad de la acidez y la basicidad Steve August Arrhenius Reacción en solución acuosa Fascículo 21 Titulación: Un método de análisis Indicadores: ¡Colores muy útiles! Indicador de repollo morado Problemática y conservación del agua Tratamientos del agua La ONU y el agua Embalses y represas en Venezuela El agua en nuestras vidas Personajes de la ciencia venezolana: Ignacio Rodríguez-Iturbe

Capítulo VIII. El carbono: Vida y energía Fascículo 22 El elemento carbono en la naturaleza Humberto Fernández Morán El carbono, ¿dónde lo encontramos? Química orgánica: La química de los compuestos que contienen cadenas de carbonos ¿Qué hace que los compuestos de carbono sean tan abundantes en la naturaleza Esquema del proceso de hibridación sp3 Orbital híbrido sp2: La molécula de eteno Orbital híbrido sp Fascículo 23 La gran familia del carbono con todos sus integrantes Linus Pauling Familias químicas según el tipo de átomo con el que se combina el carbono Reacciones en los compuestos orgánicos Los alcanos Alquitrán


Nomenclatura: Un mismo idioma para todos Reglas IUPAC para nombrar los alcanos Propiedades de los alcanos Los aliados de la limpieza Iguales... pero diferentes: Isómeros ¿Qué isómero le pones a tu carro? Reactividad de los alcanos Clorofluorcarbonos y la capa de ozono Fascículo 24 Alquenos y alquinos Se parecen pero no hay que confundirse Los alquenos promueven la creación de gigantes Propiedades de alquenos y alquinos Compuestos orgánicos aromáticos Hidrocarburos bencénicos ¿Y cómo se llaman los bencénicos? Aromaticidad Productos de reacciones de sustracción aromática Compuestos orgánicos oxigenados Fascículo 25 Un alcohol simple y peligroso Siempre evitar el exceso Poli-alcoholes Un explosivo salvavidas Alfred Nobel Premio Nobel de Química 2004 Funciones aldehído y cetona Función carbonilo en la vida diaria Moléculas medicinales que se miran en el espejo Fotosíntesis: ¡Larga vida sobre la Tierra! Carbohidratos: La función carbonilo con un compromiso energético La química es importante en nuestra dieta Fascículo 26 Los medidores de glucosa en la sangre Sacarosa: La dulzura se sostiene sobre un aldehído y una cetona Ácidos carboxílicos El medicamento más famoso del siglo XX: La aspirina Compuestos nitrogenados William Perkin Proteínas: El soporte del cuerpo Una llave para cada cerradura: Enzimas

Capítulo IX. La química de todos los días Fascículo 27


Colorantes que nos rodean... Pero, ¿qué es el color? Clasificación de los colorantes Fijando color en la fibra Colorantes de alimentos Fascículo 28 Los champúes Colorantes de cabello Cosméticos: Química al servicio de la belleza y estética El maquillaje para realzar la belleza El perfume: Fragancia que nos hace inolvidables El flúor, elemento más electronegativo, tiene la misión de proteger los dientes contra la caries Protectores y bloqueadores solares: Barreras benéficas para la piel El órgano más grande del cuerpo tiene sed ¿Qué es el papel? Fascículo 29 La tinta sobre la piel: Los tatuajes Un truco de magia: Tinta invisible Saponificación y jabón Detergentes, limpiadores El "blanco" sinónimo de pureza y limpieza: Blanqueadores Ácidos y bases también son aliados en la limpieza ¿Sabías que un éter mantiene la ducha siempre limpia? Insecticidas Fascículo 30 Alimentos Ya no necesitaremos yuca para obtener almidón Algunas "curiosidades" de los alimentos Conservación de alimentos Pasteurización y evaporación Louis Pasteur Enlatado de alimentos La irradiación: Un método de conservación de los alimentos La cocción de alimentos Fascículo 31 ¿Tienes fuego? Prometeo le robó el fuego a los dioses para dárselo al hombre ¿Cómo cocinamos los alimentos? El horno de microondas El fuego Los chips, antepasados de los nanomateriales


Capítulo X. Petróleo: Química e industria Fascículo 32 Origen de un maravilloso recurso Petróleos de Venezuela S.A. (PDVSA) Organización de Países Exportadores de Petróleo (OPEP) El padre de la OPEP: Juan Pablo Pérez Alfonzo Constitución química del petróleo Tipos de petróleo El crudo no es sólo líquido Procesos involucrados en la actividad petrolera Fascículo 33 El viaje del petróleo Barril de petróleo Octanaje de la gasolina Destilación Intevep Petróleo + química = petroquímica Pequiven Productos petroquímicos Los polímeros Características de un polímero Plásticos Tipos de plástico Fascículo 34 ¿Sabías que la madera puede ser plástica? Karl Siegler y Giulio Natta Vulcanización: El hule sintético Otros polímeros o Poliamidas o Aramidas ¡Música maestro! Los bebés se mantienen secos gracias a los poliacrilatos El petróleo y el medioambiente Contaminación Desechos plásticos inundan la Tierra

Capítulo XI. La indispensable energía Fascículo 35 Materia y energía La energía del Universo se conserva ¿Dónde se origina la energía interna? ¿En qué sentido ocurren los cambios? La entropía del Universo aumenta


El Sol, fuente primaria de energía El núcleo atómico: Cantera ilimitada de energía Utilización de combustibles fósiles Fascículo 36 Energía térmica Utilizando la luz recién llegada Fuentes de energía Interconversión entre energía química y energía eléctrica Las reacciones redox Energía eléctrica y trabajo a partir de la energía química

Capítulo XII. La química de la vida Fascículo 37 La química corporal en construcción: Desde elementos hasta compuestos Combustible de tu cuerpo: Una cuestión de energía ¿Grasa o celulitis? Química que salta a la vista: Proteínas del cabello y de la piel Transformaciones químicas en tu interior Fascículo 38 La constancia corporal ¿Qué tan importantes son los ácidos y las bases en nuestro organismo? Sustancias extrañas en el organismo: ¿Qué hace la química corporal para ayudarte? Química para curar enfermedades Las alergias Drogas que curan y otras que pueden matar Mecanismos de acción general de los fármacos Fascículo 39 Productos naturales, ¿son todos beneficiosos? Drogas y drogadicción Otras drogas peligrosas Manejo inescrupuloso del conocimiento: Drogas de diseño y esteroides anabólicos

Capítulo XIII Fascículo 40 Algunos aspectos de la química en Venezuela La docencia de nivel superior La investigación La industria Los premios


Fe de erratas Bibliograf铆a Tabla peri贸dica (versi贸n corregida)


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Coordinador acadĂŠmico Claudio Bifano


Presentación El vertiginoso desarrollo de la ciencia y la tecnología promete seguir teniendo una gran influencia en la resolución de los graves problemas que aun aquejan a la humanidad y condicionan la calidad de vida de los seres humanos. Persuadidos de esta realidad y conscientes de nuestra responsabilidad social, en Fundación Polar hemos emprendido la tarea de producir y distribuir, en todo el territorio nacional, materiales educativos, hechos en el país, por venezolanos, que informen y despierten el interés de nuestra juventud por el conocimiento científico. “El mundo de la química”, una nueva colección de 40 fascículos, abrirá las puertas de esta maravillosa y útil disciplina científica a la juventud venezolana. Un equipo de 16 especialistas y calificados docentes se esmeró en la elaboración de esta colección dirigida a los jóvenes cursantes del ciclo diversificado y profesional (bachillerato), utilizando los mismos criterios metodológicos que garantizaron el éxito de las colecciones de matemáticas ya publicadas por nosotros, es decir, un lenguaje claro y directo acompañado de experimentos sencillos y abundantes imágenes y gráficos que, debidamente adaptados a nuestra cotidianidad, facilitan la comprensión de los conceptos. Los contenidos de “El mundo de la química” les permitirán adentrarse en las profundidades del átomo y conocer las teorías de la estructura atómica, comprender el lenguaje de la química y asombrarse con toda la información contenida en la tabla periódica. Conocerán los elementos químicos tal como se encuentran en el planeta y como se enlazan y se transforman formando muy variados compuestos que satisfacen nuestras múltiples necesidades. Aprenderán, además, sobre la química del agua y del carbono, fuente de vida y energía. Encontrarán valiosa información sobre nuestro principal recurso, el petróleo, sobre los productos químicos de uso frecuente en nuestros hogares y en la industria y también podrán enterarse acerca de la química del cuerpo humano.

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Estamos convencidos de que este aporte a la educación científica de nuestra juventud es otra manera eficaz y perdurable de hacer patria; por ello confiamos en que “El mundo de la química”, este nuevo esfuerzo editorial conjunto de Fundación Polar, Empresas Polar y del diario Últimas Noticias, se convierta en herramienta de apoyo para estudiantes y profesores y contribuya, en definitiva, a elevar la cultura científica de la familia venezolana. Leonor Giménez de Mendoza Presidenta Fundación Polar

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¿Por qué el mundo de la química? La química es una ciencia antigua que el hombre ha practicado desde siempre buscando comprender los misterios del entorno que habita. Ha sido cultivada y estudiada a largo de milenios -de diferentes formas y persiguiendo los más variados objetivos- por las civilizaciones de todos los continentes. Pero la química, tal como la concebimos hoy en día, puede decirse que apenas tiene un par de siglos de vida. Efectivamente, fue Antoine Lavoisier quien a fines del siglo XVIII, haciendo uso de la balanza, la convirtió en una ciencia cuantitativa y por primera vez plasmó los conceptos básicos de las combinaciones químicas, la estequiometría y la combustión. Es por eso que, con sobrada razón, es reconocido como el “padre de la química”. En su tiempo se conocían sólo unos veinte elementos; la tabla periódica fue creciendo muy lentamente y los 112 elementos que hoy la conforman son producto del siglo XX.

Lavoisier. Danièle Severi, artista francesa. http://mseveri.chez.tiscali.fr

4 Estatua de bronce ubicada en el hospital de Starasse, Alemania.

La constitución de la materia también comenzó a desentrañarse a fines del siglo XVIII con los experimentos de Luigi Galvani que determinaron la naturaleza eléctrica de la materia, pero fue en el siglo XX cuando Gilbert Newton Lewis hizo los primeros intentos por comprender la forma en que se unían los átomos para formar las moléculas. Luego, en 1954 para mayor precisión, Linus Pauling, el químico más destacado del siglo pasado, obtuvo el Premio Nobel de Química por sus trabajos sobre la naturaleza del enlace químico, fundamentales para la comprensión moderna de la estructura de la materia y básicos para el desarrollo de la investigación en el campo de la química. La obtención de nuevos compuestos ha sido otro de los logros de la química que comienza a materializarse a principios del siglo XIX, con la síntesis de la urea lograda por Friedrich Wöhler en 1829. Desde entonces muchos nuevos compuestos han sido sintetizados: de unos millares disponibles antes de 1950 a unos cuantos millones con que se cuenta en la actualidad. Las nuevas técnicas analíticas que permiten rápidas caracterizaciones de compuestos desconocidos y la elucidación de sus estructuras ha sido la base de este impresionante avance de nuestro tiempo. Así mismo, la dinámica de los procesos químicos que nos dice cómo y por qué ocurren las reacciones químicas, ha alcanzado un desarrollo tal que permite seguir reacciones que ocurren en femtosegundos (10-15 segundos), un logro que ha producido una verdadera revolución en el conocimiento y uso de la química. En la actualidad, los químicos usan rutinariamente métodos mecánico-cuánticos y simulaciones computacionales para explicar y predecir las propiedades y el comportamiento de sistemas químicos. Lo más importantes enfoques de la química moderna están relacionados con la biología y los nuevos materiales. Las contribuciones de la química a las disciplinas asociadas con la biología, como por ejemplo, la salud o el ambiente, han sido cruciales y lo mismo ocurre con la síntesis y desarrollo de nuevos materiales que por sus propiedades particulares abren novedosos campos a la investigación y a la industria.

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En este breve recuento sobre la evolución de la química es importante mencionar que el comienzo de los estudios formales de esta ciencia en nuestro país se remonta al año 1827, con el decreto de creación de la cátedra de química en la Universidad Central de Venezuela, materializada tiempo después por el doctor José Maria Vargas. Igualmente, en la investigación y la aplicación de la química, a fines del siglo XIX resalta el nombre de Vicente Marcano quien fue, sin lugar a dudas, un célebre pionero de la ciencia venezolana. A principios del siglo XX destacan otras figuras fundamentales en este campo de la ciencia como Antonio Pedro Mora, Guillermo Delgado Palacios y Adolfo Frydensberg, quienes con su trabajo cimentaron las bases de la química en nuestro territorio. A lo largo de los capítulos que conforman esta serie de fascículos se pretende ofrecer una información amena y cuidadosa de los principales conceptos que sustentan la química moderna, acompañados por ejemplos que los ilustran. Proporcionar a los estudiantes de educación media, ciclo diversificado y profesional, y tal vez a quienes cursan los primeros semestres universitarios, un material de estudio que les ayude a comprender mejor algunos aspectos de la química, destacar el rol fundamental que juega esta disciplina en el desarrollo científico y tecnológico de Venezuela, ponderar la obra de importantes hombres de ciencia y dejar claro que, en conjunto con la física y la matemática, la química es una ciencia fundamental para comprender los adelantos del siglo que vivimos y que su práctica está al alcance de cualquier persona que reciba la formación adecuada, son las ideas generales en que se enmarca esta colección.

Vicente Marcano E., ingeniero, químico, geólogo, profesor universitario y divulgador científico (1848 -1891).

5 Petróleo. Patrick Soper, artista norteamericano. www.soperstudio.com

Vincular el conocimiento de los conceptos básicos de la química con el uso de materiales, fuentes de energía, aspectos de contaminación, alimentos, fármacos y, en general, con el mundo complejo con el que se relaciona el ciudadano en su vida diaria es una forma de contribuir a mejorar su calidad de vida. Pero para lograrlo es necesario erradicar el prejuicio de que la ciencia puede ser algo aburrido y abstracto, cuya comprensión está limitada a algunos privilegiados, dotados de aptitudes intelectuales especiales, una aprensión que tiene buena parte de la juventud en todo el mundo. Venezuela es y seguirá siendo un país que tiene en la industria petrolera, petroquímica y minera importantes fuentes de ingresos económicos que necesitan de ingentes recursos humanos capacitados en el área de la química para satisfacer sus requerimientos. Esto exige que la educación básica, la del ciclo diversificado y la universitaria estén en condiciones de proveer, de manera eficaz, los conocimientos esenciales y profundos de la química que permitan a los futuros profesionales enfrentar las exigencias de las empresas e instituciones científicas y tecnológicas donde irán a trabajar y hacer posible la organización de una sociedad competente, en condiciones de dar respuestas a los requerimientos de los tiempos actuales.

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Los temas del mundo de la química El capítulo 2 ha sido titulado De lo macro a lo micro y se centra en los materiales y el átomo. Las propiedades generales de los materiales, su constitución y transformación, los estados de la materia, los cambios de estado, el átomo y los modelos atómicos, así como una presentación cronológica de los momentos culminantes en las teorías de la estructura atómica son los puntos esenciales que conforman este capitulo. El capítulo 3 está dedicado al lenguaje de la química: la tabla periódica. Su historia, las propiedades de los elementos, su abundancia y reactividad; además te ofrecemos una tabla periódica actualizada que podrás utilizar en tus tareas diarias.

El capítulo 4 se refiere a los elementos químicos tal como se encuentran en el planeta. Encontrarás información acerca de los tipos de elementos: metales, no metales y semimetales; sus propiedades físicas y químicas. Se mencionarán algunas aplicaciones y usos principales de los elementos descritos y la ubicación geográfica de los principales recursos minerales en Venezuela.

El capítulo 5 se ocupa de algunos de los compuestos químicos más importantes en la vida diaria. Se enfatizan temas como el enlace químico, clasificación o tipos de enlace, compuestos iónicos y covalentes, estequiometría y fórmulas empíricas y moleculares.

El capítulo 6 explica conceptos, que a veces pueden resultar un tanto confusos, como el concepto de mol; las relaciones del mol con volumen, masa y partículas. ¿Qué es una reacción química? ¿Cómo sabemos que ocurrió una reacción química? Son algunos de los tópicos y las preguntas que esperamos ayudarte a comprender y a responder. Lo hemos denominado las transformaciones químicas.

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El capítulo 7 se refiere a la química del agua. Allí hablamos de la importancia del agua en la Tierra y en el cuerpo humano. Las soluciones acuosas. Conceptos de concentración y solubilidad. La disolución de los compuestos químicos. El pH, su medida. Ácidos y bases. La contaminación, problemática y conservación del agua.

El capítulo 8 estudia la química orgánica. Su título es El carbono: vida y energía. El carbono como elemento y su ubicación en la tabla periódica, propiedades, hibridización, enlaces, cadenas de carbono como compuestos, compuestos de carbono: tipos de compuestos, nomenclatura, propiedades físicas. Fuente de compuestos orgánicos: natural e industrial. Todos estos asuntos son parte de la temática que conforma el conjunto de fascículos referidos a este capítulo. Con el capítulo 9 se inicia la aplicación de los conceptos químicos. Comenzamos con la naturaleza y origen del petróleo: yacimientos, distribución geográfica, exploración, transporte y almacenamiento. Procesos industriales: refinerías, productos, gases y petroquímica. Haremos mención de algunos procesos específicos como la orimulsión.

El capítulo 10 lleva por título la Química para el consumidor. Se refiere a la fabricación y al uso de productos, preferentemente orgánicos, colorantes naturales y sintéticos, conservantes alimentarios, carbohidratos, grasas como aceites y margarinas. Incluye también información sobre detergentes: limpiadores, abrasivos. Polímeros: plásticos, gomas y fibras sintéticas.

El capítulo 11, Química de la vida, trata sobre la química del cuerpo humano; resume ideas acerca de lo que son los carbohidratos, aminoácidos, péptidos, lípidos, procesos energéticos (metabólicos). Y se refiere también a la química asociada a los procesos médicos (productos naturales y productos sintéticos) y drogas naturales y sintéticas perjudiciales para la salud.

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CapĂ­tulo II:


Macro:Micro. Mari Hall,

artista afroamericana. www.marizart.com

Todo lo que te rodea es química, incluso tú mismo. Es decir, no sólo estamos formados de materiales químicos sino que están ocurriendo constantemente transformaciones dentro y fuera de nosotros. Para entender esas transformaciones hay que escudriñar dentro de los materiales. Esto nos lleva a tropezar con una frontera mas allá de la cual nuestros sentidos quedan limitados y debemos recurrir a instrumentos que aumenten nuestro poder de observación; sin embargo, aún con ellos siempre existirá un límite para nuestros sentidos pero no para nuestra imaginación, que nos permitirá crear modelos sobre cómo es eso que no vemos. La validez de estos modelos dependerá de la capacidad explicativa que ellos tengan de la realidad.

El mundo de la química

De lo macro a lo micro ¿Qué tienen en común los materiales? A pesar de la diversidad de materiales, todos poseen en común la propiedad de tener masa y ocupar un espacio, el cual no podrá, al mismo tiempo, estar ocupado por otro objeto. Dicha propiedad identifica a todos los objetos y sujetos como formas diferentes de presentarse la materia. Esto es, todos los materiales están formados por materia. El espacio que ocupa un material se expresa a través del volumen propio del material o el del volumen del recipiente que lo contiene.

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Una ocasión para experimentar Busca un pequeño objeto que flote en agua (es decir, que sea menos denso que el agua) y colócalo en un recipiente con suficiente agua. Toma un vaso de vidrio e inviértelo, como se muestra en la figura y no permitas que entre agua al vaso. ¿Dónde se encuentra ahora el objeto? Seguidamente, inclina un poco el vaso y levántalo lentamente, hasta que apenas sobresalga de la superficie del agua. ¿Qué observas salir del vaso? ¿Estaba vacío el vaso? ¿Qué material había dentro del vaso? Sumérgelo de nuevo. ¿Qué explicación das a lo que observas? Ordena de mayor a menor las densidades del agua, del aire y del objeto. Si tienes dudas consulta con tu profesor.

Fascículo 2


Agua y aire. M.C. Escher, artista holandés. (1898-1972).

Materia y química La materia y sus cambios (ya sean naturales o sean provocados por el hombre) constituyen el objeto de investigación de la química. El estudio de la materia se realiza desde dos puntos interdependientes: el macroscópico (los materiales) y el microscópico (la estructura).

Sólidos de Kepler. Johannes Kepler, astrónomo y matemático alemán (1571-1630).

Los estados físicos de la materia

Los materiales se presentan en diferentes estados físicos que van desde el ordenado estado sólido, pasando por el estado líquido, hasta el desordenado estado gaseoso. Los materiales en estado sólido tienen forma y volumen propios. Los que se encuentran en estado líquido (el aceite en un vaso, por ejemplo) tienen volumen propio pero no forma propia, por lo que adoptan la forma del recipiente que los contiene. Finalmente, los que se encuentran en estado gaseoso no tienen ni forma ni volumen propios, por lo que tratan de ocupar todo el espacio disponible en un recipiente. Esto significa que los líquidos y gases requieren necesariamente de un recipiente, no así los sólidos que por tener forma propia pueden ser identificados como objetos.

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El volumen ocupado por los gases se puede calcular tal como se observa en el ejemplo A.

A

En el caso de los líquidos el volumen se puede calcular con el uso de envases con medidas, tal como se indica en el ejemplo B. Los sólidos tienen forma y volumen propio. Si el sólido no es una figura geométrica conocida, si es más denso que el agua, si no reacciona con ella, ni se disuelve en la misma, su volumen puede determinarse como lo muestra el ejemplo C.

B

C

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Estructura y propiedades La estructura de los materiales en estado sólido debe ser bien diferente a la de los materiales que se encuentran en los estados líquido y gaseoso. Esto explica la rigidez de los sólidos y la facilidad de adaptarse a la forma de los recipientes de los otros. Es decir, la estructura de los materiales en los estados líquido y gaseoso debe permitirles moverse rápidamente, razón por la cual se los llama fluidos. Los gases lo hacen inmediatamente. Los líquidos muestran diferencias; algunos, como el agua, se mueven rápidamente; otros se tardan un poco más, como la miel. A estos últimos se los llama viscosos. Al inclinar una cuchara llena de agua ésta se vacía en un par de segundos, mientras que si contiene miel este proceso requiere casi un minuto.

Sublimación. Nicole Sadin,

Los cambios de estado físico

artista francesa. www.toutnancy.com

Los materiales pueden cambiar de estado físico cuando se modifican, lo suficiente, la temperatura y la presión a la que están sometidos. Cuando se pasa del estado sólido al líquido (al derretirse un trozo de hielo) se habla de fusión, y cuando se va de líquido a gaseoso (al frotar alcohol sobre tu piel) se habla de vaporización. Algunos materiales, como el “hielo seco”, pueden pasar del estado sólido directamente al gaseoso (sublimación). En las tres situaciones mencionadas, el material requiere tomar energía de sus alrededores para que el cambio se lleve a cabo. Cuando se vierte alcohol sobre la piel, éste se vaporiza utilizando energía (calor) del cuerpo, por lo que sientes que esa parte se enfría.

Aumento de temperatura

Fusión

Sublim ación

Vaporización

Licuefacción sació Conden

Estado líquido

Solidificación

ersa ción inv blima do o su n a sóli

Los cambios de estado físico también ocurren cuando se modifica la presión. El gas licuado de las bombonas se encuentra en estado líquido gracias a la presión tan alta a la cual se llenó la bombona. La presión atmosférica es mucho menor que la presión dentro de la bombona. Al abrir la llave de la bombona de gas para cocinar, se le permite al líquido pasar de una presión más alta a una más baja y se transforma en un gas.

Estado gaseoso

Aumento de presión

Cuando un material en estado gaseoso pasa a líquido (condensación o licuefacción), tal como ocurre cuando se empañan los vidrios de un carro, y cuando un material líquido pasa a sólido (solidificación o congelación) como cuando haces hielo en tu nevera, el material desprende energía hacia sus alrededores. Sobre la energía asociada a los cambios volveremos en el capítulo correspondiente.

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Estado sólido

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Cambios de estado físico al servicio del hombre En los hornos de la Siderúrgica del Orínoco (Sidor), en el estado Bolívar, el hierro se obtiene en estado líquido. Para obtener todos los materiales que se elaboran a partir de este metal, entre los cuales se encuentra el acero, el hierro deberá ser sometido a un proceso de enfriamiento, mezclado con otros elementos y pasado al estado sólido (solidificación). Cuando llega la noche, la temperatura disminuye unos cuantos grados, los suficientes como para que el vapor de agua presente en el ambiente se enfríe y se condense en forma de pequeñas gotitas de agua que observamos en las primeras horas de la mañana sobre hojas y flores. Este fenómeno lo denominamos rocío. Al pasar las horas, la temperatura vuelve a aumentar y el agua de las gotitas se evapora. Algunas tribus africanas dependen del agua recogida del rocío para sobrevivir. El hielo seco (dióxido de carbono sólido), el mismo que ves dentro de los carritos de helados para mantenerlos firmes, es utilizado para múltiples fines. Se emplea para conservar medicinas y alimentos, así como para realizar la limpieza de las maquinarias industriales. Para ello se dispara en forma de pequeños sólidos sobre las máquinas, los cuales limpian las superficies sin los riesgos que implican otros productos. Durante el proceso de limpieza, el hielo seco pasa del estado sólido al estado gaseoso (sublimación). El hielo seco también se utiliza para formar los vapores que ves en la parte inferior de los escenarios en los conciertos de rock.

Para pensar La presión en la superficie lunar es prácticamente cero. ¿Qué le ocurriría a nuestra sangre si fuésemos expuestos, sin protección alguna, a esa condición?

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Sólidos no tan “sólidos” No todos los sólidos se comportan de igual forma cuando pasan al estado líquido. Si sacamos un hielo del congelador irá tomando energía del medio y se irá fundiendo, disminuyendo poco a poco su tamaño hasta desaparecer de nuestra vista como sólido, cuando el último trocito se ha convertido en líquido. Los sólidos que se comportan de esta forma se denominan cristalinos. Los azúcares, la sal de mesa, los metales, el cuarzo son ejemplos de éstos, sólo que ellos se funden a temperaturas mucho más altas que el hielo. El cuarzo lo hace a 1 600ºC, mientras que el hielo lo hace a 0ºC. Otros sólidos, al ser calentados uniformemente, se van ablandando en forma pareja hasta convertirse en líquidos. Estos sólidos no se funden sino que se derriten, por tanto no tienen temperatura de fusión. Se los llama amorfos. Ejemplos de ellos son la goma, el caucho y el vidrio. Estos materiales tienen propiedades cercanas a las de un líquido que fluye muy lentamente. El hielo se funde al ser sacado del congelador, va disminuyendo de tamaño pero conserva su forma cristalina hasta el final. La goma de mascar, expuesta al Sol, se derrite. Chocolate, mantequilla, oro y un cubo de hielo.

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Líquidos no tan “líquidos”

Luz

Polarizador inicial Capa alineación Encendido

Algunos cristales líquidos pueden presentar planos sucesivos, que adopten en conjunto una forma de tornillo que permita el paso de la luz a través de ellos, pero la acción de la electricidad puede alinearlos de tal forma que la luz no pase, generando oscuridad. Este es el mecanismo mediante el cual podemos ver cómo cambian los números en la pantalla de un reloj digital; también es la base de la iluminación de las pantallas de las calculadoras. Pero los cristales líquidos tienen otra aplicación muy interesante: también los cambios de temperatura pueden afectar su arreglo, y por tanto, su absorción de luz, produciendo cambios de colores. Así se usa en los termómetros para bebés y, ¿por qué no?, en la elaboración de trajes que tengan un color de día y otro de noche. ¡Qué tal!

Luz

Apagado

Algunos sólidos cristalinos no se funden directamente, sino que pasan por un estado que tiene propiedades intermedias entre las de los estados sólido y líquido, y pueden existir en ese estado en un intervalo de temperatura bastante amplio. Un ejemplo es el material con el que se hacen los números de los relojes digitales y las pantallas de las calculadoras. Al material en ese estado se le denomina cristal líquido, pues es capaz de fluir (como los líquidos), pero al hacerlo mantiene cierto ordenamiento (como los sólidos). Si se sigue aumentando la temperatura, el cristal líquido se transformará en líquido.

Capa alineación Polarizador final

13 Luz no pasa

Iluminado

¿De qué están hechos los materiales? La respuesta especulativa ¿Qué son las cosas? ¿De qué están hechas las cosas? Son preguntas que han tenido muchas respuestas a través del tiempo. Algunas explicaciones han sido mágicas, otras religiosas, pero desde el siglo VI antes de Cristo algunos pensadores griegos partieron de lo visible y respondieron a esas preguntas asumiendo la participación de “elementos” (agua, tierra, aire y fuego) en la constitución de las cosas. Otros partieron de lo invisible y respondieron de forma estructural (todo está formado por átomos). Hoy en día estas dos posiciones están estrechamente relacionadas. En ambas, el razonamiento lógico es la base para responder a las preguntas. El alquimista. Davis Teniers, artista belga (1610-1690).

El átomo de los griegos Leucipo (s. IV a.C.), a la izquierda, basándose en especulaciones, afirmó que la materia no podía dividirse indefinidamente, que llegaría un momento en que se obtendría una partícula que no podría seguir dividiéndose. Demócrito (s. V a.C.), discípulo de Leucipo, dio a esta partícula el nombre de átomo (a=sin, tomo=parte, o sea, indivisible). Además, afirmó que los átomos diferían en tamaño y forma, y que esas diferencias eran las que le daban a las cosas sus distintas propiedades. Dos aspectos son muy importantes en esta concepción atomista. Uno es el de considerar que todo lo que existe está constituido por combinaciones de átomos. El otro es que al asumir la existencia de los átomos la materia no es continua sino discreta, es decir, hay un espacio entre los átomos aunque no podamos percibirlo a simple vista. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo II: De lo macro a lo micro • fascículo 2


molécula

Apoyo didáctico ¿Qué es una partícula? Es una pequeña parte de algo que reviste gran importancia. En el lenguaje coloquial, esa pequeña parte podría ser una partícula de aserrín o de arena. Pero aunque no sea fácil, aún es posible obtener partículas mucho más pequeñas. Cuando ya no fuese posible más subdivisión, se llegaría a los átomos de Leucipo y Demócrito. Todas estas partículas tienen masa, luego, son trozos de materia. Hoy en día, en ciencia, al utilizar la palabra partícula nos referimos, por ejemplo, a moléculas. Éstas, a su vez, están formadas por partículas más pequeñas, átomos, y dentro de ellos hay protones, electrones y neutrones. En los protones y neutrones hay quarks. Cada una de estas partículas es una unidad material o entidad de algo, porque lo integra y lo caracteriza. Por ejemplo, el hidrógeno contenido en una bombona está formado por cuatrillones de moléculas de hidrógeno que explican algunas propiedades del hidrógeno. Cada una de ellas está formada por dos átomos de hidrógeno. Cada átomo de hidrógeno contiene un protón, un electrón y de cero a dos neutrones. El tener un protón caracteriza al elemento hidrógeno. Finalmente, el protón y cada neutrón está formado por tres quarks. Hablaremos de ello más adelante.

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Molécula de agua H2O

Molécula de la nicotina

átomo

núcleo

protón

electrón

quark

?

Molécula de la cafeína

?

Molécula compleja

¿Sabías que...? Para Aristóteles, filósofo posterior a Leucipo, no existía el vacío; la materia era continua y no había espacios vacíos en ella, de manera que podía dividirse indefinidamente. Por lo tanto, desechó el atomismo. Por ser Aristóteles el filósofo más influyente de su época y de mayor trascendencia hasta la Edad Media, el atomismo perdió seguidores. Sin embargo, los hubo tales como Epicuro y, muchos años después, el romano Tito Lucrecio (siglo I antes de Cristo), quien en forma de poema (“Sobre la naturaleza de las cosas”) expresó las ideas de Demócrito y Epicuro. Uno de sus escritos logró vencer el paso de los años y de las persecuciones religiosas en los años del oscurantismo, lo que permitió a las generaciones que siguieron conocer la filosofía atomista. Aristóteles y Platón. Escuela de Atenas (fragmento). Rafael Sanzio De Urbino (1483-1520).

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De nuevo el atomismo... pero por la vía experimental... o por la fuerza de la evidencia Aceptar que todo material está formado por átomos y la existencia de un espacio entre los mismos (la discontinuidad material), no fue fácil ni en la antigua Grecia ni en los siglos que siguieron. ¿Cómo creer en algo que no se ve (los átomos) ni se siente (el vacío y la discontinuidad)? Sin embargo, el atomismo tenía sus seguidores en hombres de estatura científica como Boyle (arriba) y Newton (abajo). Desde el comienzo del siglo XIX se retomó la idea, con más intensidad, para explicar una serie de resultados experimentales.

Dalton y las bases de la Teoría Atómica La Teoría Atómica fue formulada por John Dalton en 1803 y con ella pudo explicar el comportamiento físico de los gases y las leyes que regían las reacciones químicas. Más adelante consideraremos estas leyes con detalle. El átomo, según Dalton, era indivisible e indestructible. Toda sustancia estaba formada por átomos. Las sustancias simples estaban constituidas por átomos iguales en tamaño y masa. Las sustancias compuestas estaban constituidas por “átomos”, formados por átomos de los distintos elementos en una relación de números sencillos. Así, por ejemplo, el monóxido de carbono está formado por carbono y oxígeno, en una relación de un átomo del primer elemento por cada átomo del segundo; entonces un “átomo” de monóxido de carbono, según Dalton, sería diatómico (formado por dos átomos).

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John Dalton, científico inglés (1766-1844).

El 13 y 14 de octubre de 2003, en Manchester (Inglaterra), se celebró el bicentenario de la publicación de la Teoría Atómica de John Dalton. A este evento acudieron diversas celebridades entre quienes destacaron Sir Harry Kroto (Premio Nobel) y Diego Forlan (Equipo de fútbol Manchester United), los cuales presentaron la similitud de un balón con una molécula C60, ésta última descubierta por Sir Kroto y R. Curl.

Dalton representaba a los átomos como partículas esféricas repletas de masa y de tamaño variable, dependiendo del elemento al que perteneciesen, pero indivisibles, indestructibles y, por tanto, eternos. Aproximadamente un siglo después, se encontraría que el átomo no es indivisible y que todos los átomos de un mismo elemento no tienen la misma masa y, por ende, no son iguales.

Un poquito de historia: John Dalton John Dalton se dedicó a la investigación y la enseñanza en física y química. Se desempeñó como profesor de la Universidad de Manchester. Desarrolló la Teoría Atómica de la Materia revolucionando buena parte del pensamiento científico de la época. Dalton y su hermano no podían ver los colores primarios apropiadamente, y es por ello que uno de sus estudios se basó en la búsqueda de las razones de esta dolencia, estando entre los primeros en proponer teorías al respecto. Esa es la razón por la cual a las personas que sufren de esta enfermedad se les llama daltónicos. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo II: De lo macro a lo micro • fascículo 2


Los primeros cambios a la Teoría Atómica de Dalton: átomos y moléculas Al comprobar que el comportamiento de sustancias en estado gaseoso, como el hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, se explicaba mejor asumiendo unidades formadas por parejas de átomos (H2, O2, N2 ), el químico italiano Amadeo Avogadro, en época de Dalton, sugirió el termino “molécula” (pequeñas masas) para la partícula más pequeña que permitiese justificar las propiedades de una sustancia. Las sustancias (simples o compuestas) están formadas por moléculas y éstas por átomos. Cuando dos sustancias reaccionan, sus moléculas se escinden y los átomos se recombinan, de manera de formar moléculas diferentes que correspondan, por lo menos, a una nueva sustancia.

Volúmenes iguales de gas, en las mismas condiciones de temperatura y presión, contienen el mismo número de moléculas. Amadeo Avogadro, químico italiano (1776-1856).

En las tiras cómicas de Supermán, se utiliza el nombre de Kriptón como el planeta donde nació este superhéroe y quedó destruído por un cataclismo. Los trozos de piedra, de color verde, de este planeta logran disminuir sus poderes. El kriptón es un gas que se utiliza en la fabricación de bombillos especiales que dan una iluminación muy poderosa.

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¿Sabías que...? Molécula de agua H20

Molécula de dióxido de carbono CO2

Los gases monoatómicos fueron descubiertos años después de Dalton y por su poca reactividad han sido conocidos como gases inertes o nobles: helio (He), neón (Ne), argón (Ar), kriptón (Kr), xenón (Xe) y radón (Rn). Se los llama monoatómicos porque su comportamiento (propiedades) se explica mejor asumiendo que sus moléculas están formadas por un solo átomo. El primero de ellos, el helio, es el que se emplea para inflar las bombas que se elevan en el aire; los otros cuatro son utilizados para la fabricación de diversos tipos de iluminación.

Las figuras corresponden a una de las diversas formas de representar moléculas. Las moléculas de agua y dióxido de carbono son planas. La de agua es angular mientras que la segunda es lineal. Ambas son triatómicas pues están formadas por tres átomos. Los átomos de carbono y oxígeno tienen tamaños muy parecidos. Los de hidrógeno son menores. El butano, gas combustible, está formado por moléculas más complejas. No son lineales ni planas.

Molécula de butano C4H10 Átomo de oxígeno

Átomo de carbono

Átomo de hidrógeno

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La existencia de átomos: un excelente recurso explicativo ¿Cómo explicar que un mismo recipiente lleno de un material en estado líquido tiene más masa que cuando está lleno del mismo material en estado gaseoso? La respuesta es sencilla: cuando está lleno con líquido hay más partículas en el recipiente que cuando lo está de gas, lo cual implica que las partículas están mucho más cercanas entre sí en el líquido que en el gas. Esas partículas, que también podemos llamar unidades materiales o entidades, pueden ser átomos o agrupaciones de átomos que están en constante movimiento, aun en el estado sólido. ¿Cómo explicar mejor que un gas encerrado puede aumentar o disminuir su volumen fácilmente, sin aceptar que esté compuesto por pequeñas unidades muy separadas entre sí por un gran vacío?

Pressure

Christina Thompson.

artista norteamericana. www-pub.naz.edu:9000/~cthomps6

El mundo de la química

Capítulo II: De lo macro a lo micro

Cuando se aumenta la presión sobre un gas encerrado en un recipiente, es fácil disminuir su volumen pues hay un gran espacio libre entre las partículas que forman el gas. Esto no ocurre así con los líquidos ni con los sólidos, ya que en estos estados las partículas están muy cerca unas de otras. P= Presión T= Temperatura absoluta

P1 P2

Condiciones: T1 = T2 y P1 < P2 T1

Por la misma razón, un gas cambia fácilmente su volumen con la temperatura. Aumentar la temperatura significa darle a las partículas más energía. Toda esa energía es utilizada para aumentar la energía cinética y, por tanto, las partículas del gas se mueven más rápidamente; chocarán con las paredes del recipiente con más fuerza. Si las paredes del recipiente lo permiten, el volumen aumentará en forma notoria. No ocurre así en líquidos y sólidos, donde las partículas se atraen fuertemente entre sí. Condiciones: T1 < T2 y P1 = P2

T2

P2

P1

T1

T2

Fascículo 3


La existencia de átomos: un excelente recurso Las unidades estructurales que forman los materiales se atraen más fuertemente a medida que se acercan entre sí. El volumen del material (propiedad macroscópica) depende del número de unidades, de la magnitud de las interacciones que se ejercen entre ellas y de lo separadas que se encuentren. La masa de un material (también propiedad macroscópica) depende de la masa de cada entidad que lo forma y del número de entidades presentes en el material.

Density.

David Preissel,

fotógrafo suizo http://x-horizon.deviantart.com

El cociente entre la masa del material y el volumen, permite calcular su densidad. Esta propiedad no depende de la cantidad de unidades del material, pues la influencia de este factor se eliminó al realizar la división; pero sí depende de la masa promedio de las unidades que lo forman y de lo separadas que estén. Mientras más separadas estén las unidades menos denso será el material. La densidad se refiere a la concentración de la materia: a mayor densidad mayor concentración de materia.

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Para pensar Un laboratorio farmacéutico presenta un producto antiasmático en forma de inhalador. Además de las instrucciones para su uso, el laboratorio incluye un diagrama sencillo que le permite al usuario saber la cantidad de medicamento que aún contiene la bombona del inhalador, de acuerdo con la ubicación y posición que adopta la bombona al sumergirla en agua.

Clasifica como verdaderas (V) o falsas (F) las siguientes afirmaciones: ( ) El material del cual está hecho la bombona es menos denso que el agua. ( ) El medicamento es más denso que el agua. ( ) La bombona en la posición B contiene más medicamento que en la posición A pero menos que en la posición C.

B Agua A

John Dalton, físico, químico y naturalista inglés (1766-1844).

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explicativo Un sencillo experimento que ilustra la aplicación de esta teoría atómica

Presión opuesta

Presión ejercida

Toma una inyectadora sin aguja y coloca el dedo índice en el lugar donde se colocaría la aguja, tapando el orificio. Con el pulgar de la misma mano o de la otra mano, según te sea más cómodo, ve presionando el émbolo tratando de bajarlo hasta el final, sin quitar el índice. ¿Cuándo es más fácil variar el volumen del aire en la inyectadora, al comienzo o al final?¿Puedes bajar el émbolo hasta el final del recipiente?¿Qué explicación das a estas observaciones basándote en la existencia de pequeñas unidades dentro de la inyectadora? ¿Qué relación (directa o inversa) hay entre la presión ejercida y el volumen que ocupa el aire dentro de la inyectadora? ¿Qué le ocurre a la densidad del aire al comprimirlo (aumenta, disminuye o se mantiene constante)? Comparte tus conclusiones con tu profesor. Presión opuesta

Presión ejercida

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Para pensar Los envases de metal que contienen desodorantes o insecticidas en spray advierten que no deben ser expuestos al calor y mucho menos al fuego. Ni siquiera cuando están “aparentemente vacíos”. ¿Qué ocurriría si no se atiende esa advertencia? ¿Cuáles son los peligros de hacerlo? Al aumentar la temperatura, ¿el gas se expande o se comprime? ¿Qué le ocurre a la densidad del gas encerrado en el envase (aumenta, disminuye o se mantiene constante)? ¿Qué relación (directa o inversa) hay entre la temperatura y el volumen del gas? ¿Cómo explicarías lo ocurrido basándote en la presencia de pequeñas unidades materiales en movimiento dentro del envase? Comparte tus conclusiones y tu razonamiento con tu profesor.

¿Después de Dalton qué? Hasta fines del siglo XIX la física y la química no dieron la debida importancia al micromundo. Se concentraron en el estudio de fenómenos macroscópicos (electricidad, magnetismo, combustión...) y organizaron el conocimiento en áreas: mecánica, óptica, termodinámica, química orgánica, química inorgánica... La naturaleza atómica no era considerada indispensable, por muchos químicos y físicos, para interpretar los fenómenos. A comienzos del siglo XX ocurrieron algunos “terremotos” que derrumbaron las cuidadosamente articuladas edificaciones del conocimiento. La física fue la primera afectada, pero no tardaron mucho en sacudir a la química y otras disciplinas. Parte de la lección consistió en dirigir la mirada hacia el micromundo. Después de estos sismos surgió una nueva y rica forma de interpretar la Naturaleza. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo II: De lo macro a lo micro • fascículo 3


La naturaleza eléctrica de la materia

Lámina ilustrativa del libro de Luigi Galvani (físico y médico italiano 17371798) De Viribus Electricitatis in Motu Musculari Commentarius (Comentarios sobre el efecto de la electricidad en el movimiento muscular).

Desde mediados del siglo XVIII la electricidad era tema de interés de físicos y químicos. Se sabía que habían materiales buenos conductores de la electricidad, como los metales, y malos conductores de la electricidad, como el vidrio y los gases. El experimento de Luigi Galvani (físico y médico italiano, 1737-1798) demostró que la materia conduce la electricidad; el de Alessandro Volta (físico italiano, 1745-1827, inventor de la pila eléctrica) que la materia genera electricidad; y los de los químicos ingleses Humphry Davy (1778-1829) y Michael Faraday (17911867), sobre la electrólisis, pusieron en evidencia que la electricidad produce cambios en la materia. Después de estos resultados era cuestionable asumir a un átomo como una esfera repleta solamente de masa; por ejemplo, ¿de dónde salía la electricidad obtenida por Volta?

+

-

Corriente de electrones

e

e-

20

-

Tira de cinc (cátodo)

K+

Cl-

Puente salino KCl

Tira de cobre (ánodo)

+

Billete de 10 000 liras, con la imagen de Volta y su pila, que se usaba en Italia antes de la entrada del euro. Zn++

Cl-

K+

Cu++

Principio electroquímico de la pila desarrollada por Volta. Solución de ZnSO4

Solución de CuSO4

Al unir los cables comienza a pasar electricidad a través de la celda. Para probar que la electricidad fluye se puede colocar un bombillo, o un medidor de voltaje, que confirma el paso de la electricidad. En los electrodos (barras metálicas) se observan cambios. El de la izquierda (Zn) se va disolviendo. Luego algo de Zn pasa a la disolución. Sobre el de la derecha (Cu), se deposita más Cu. Éste proviene de la disolución. Así, en este ejemplo, un cambio químico genera electricidad, luego, en la materia debe existir “algo” que tenga naturaleza eléctrica. Después del descubrimiento del electrón, la interpretación de los fenómenos electroquímicos fue sencilla.

Alessandro Volta le hace una demostración de la pila al emperador Napoleón Bonaparte. Giuseppe Bertini, pintor italiano (1598-1680).

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El electrón: la primera evidencia de la “anatomía” del átomo Cuando se descubrió que la luz podía transmitirse en el vacío, se quiso saber si también eso era posible para la electricidad. Para este fin se colocaron dos placas dentro de un tubo, una (denominada cátodo) se conectó al polo negativo de una fuente de electricidad y la otra (ánodo) se conectó al positivo. Al pasar la corriente se ve que a medida que hay menos gas en el tubo, mejor se conduce la electricidad y se produce una luminiscencia que toma un color diferente dependiendo del gas que esté encerrado en el tubo: rojo para el neón, azul para el argón, púrpura para el aire (esto fue de gran utilidad unos años después en los anuncios luminosos que conoces).

Tubo de Crooke. Universidad de Innsbruck, Austria. http://info.uibk.ac.at

Cuando prácticamente se logra el vacío dentro del tubo, se producen unos rayos que no se ven pero que excitan la fluorescencia en pantallas colocadas dentro del tubo e, incluso, en el vidrio del tubo (como en los tubos fluorescentes que conoces). Esos rayos son denominados catódicos por originarse en el cátodo, viajan en línea recta y si se colocan placas eléctricamente cargadas, los rayos se desvían hacia la placa positiva, por lo que están formados por partículas cargadas negativamente. No importa cuál sea el material que se utilice para fabricar el cátodo o el gas presente en una cantidad mínima, el efecto siempre es el mismo, por lo que esa partícula, que se denominó electrón, está presente en toda materia. Tubo de rayos catódicos Cátodo (-)

Brillo

21 Ánodo (+)

Alto Voltaje

Portaobjetos Placa negativa Ánodo (+)

Cátodo (-)

Rendija

Pantalla recubierta de Sulfuro de zinc

Placa positiva

Las figuras muestran dos experimentos realizados en tubos de Crookes, invento de William Crookes (físico y químico inglés, 1832-1919). En ellos se puede observar que los rayos se originan en el cátodo (polo negativo), viajan en línea recta y están formados por cargas negativas que son atraídas hacia el polo positivo. Estas propiedades son utilizadas en el invalorable microscopio electrónico y en los televisores que nos acompañan en nuestros hogares.

Adiós al átomo indivisible La emisión de rayos catódicos significó no sólo la confirmación de la naturaleza eléctrica de la materia, sino también que el átomo debía tener una estructura y era divisible, pues de él habían sido extraídos los electrones. La masa de un electrón resultó ser 1 837 veces más pequeña que la del átomo de hidrógeno. Esto hizo pensar que era una partícula más pequeña que un átomo y que si dentro de los átomos existían cargas negativas, debían existir también cargas positivas que las neutralizaran. El átomo no era indivisible. De él podían salir partículas negativas dejando atrás al átomo cargado positivamente y esos electrones podrían llegar a otro átomo y cargarlo negativamente. Rayos catódicos chocando contra lámina metálica.

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Modelos atómicos El modelo atómico de Dalton La contribución más importante a la ciencia del químico y físico británico John Dalton (1766-1844), fue su teoría de que la materia está compuesta por átomos de diferentes masas que se combinan en proporciones sencillas para formar compuestos. Esta teoría, que Dalton formuló por primera vez en 1803, es la piedra angular de la ciencia física moderna. En 1808 se publicó su obra Nuevo sistema de filosofía química (que se publicó en dos partes, la primera en 1808 y la segunda en 1810), la cual incluía las masas atómicas de varios elementos conocidos en relación con la masa del hidrógeno. Sus masas no eran totalmente precisas pero constituyen la base de la clasificación periódica moderna de los elementos. Dalton llegó a su teoría atómica a través del estudio de las propiedades físicas del aire atmosférico y de otros gases.

El modelo atómico de Thomson En 1904 (casi un siglo después del modelo de Dalton), Joseph John Thomson (18561940, inglés Premio Nobel de Física 1906), propuso un modelo de átomo que era una masa esférica cargada positivamente, en la cual estaban incrustadas partículas más pequeñas cargadas negativamente (los electrones), que podían salir de los átomos o llegar a ellos.

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J.J. Thomson en su laboratorio

Electrones

Nube esférica de carga positiva

Molécula energética

¿Sabías que...? En este modelo atómico también participó otro Thomson. Se trató del irlandés William Thomson (1824-1907), mejor conocido como Lord Kelvin, cuyo apellido reconoces en la unidad para expresar la temperatura.

Para pensar El modelo atómico de Thomson considera que las partículas negativas están incrustadas en una masa cargada positivamente. ¿Por qué no podía ser lo contrario (partículas cargadas positivamente incrustadas en una masa esférica cargada negativamente)?

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Fuente de partículas alfa

El átomo ya no será compacto nunca más En 1911, un experimento de Ernest Rutherford y sus colaboradores, Hans Geiger y Ernest Marsden, produjo un importante cambio. Al hacer incidir partículas alfa (α, átomos de helio que han perdido sus dos electrones y por lo tanto cargados positivamente) en una lámina metálica, casi todas las partículas atravesaban la lámina metálica sin desviación alguna, mientras que una partícula de cada 40 000 rebotaba, lo cual significaba que había chocado con un punto de gran masa y de carga positiva. Para poder explicar este fenómeno fue necesario pensar en un modelo atómico muy diferente a los ya conocidos.

Algunas particulas alfa rebotan

Lámina de metal (Rutheford utilizó oro)

La mayoría de las partículas pasan sin desviarse a través de la placa

Pantalla para detectar las partículas alfa que se dispersan (Rutheford utilizó Sulfato de zinc) Algunas particulas alfa son desviadas

De acuerdo con lo anterior, el átomo debería estar formado por un minúsculo núcleo cargado positivamente que concentra casi toda la masa del átomo y, alrededor de él, en una región del espacio (la corona) muchísimo mayor, se encuentran los electrones con una masa mucho menor que la del núcleo. Resultó que después de este experimento ya nunca mas el átomo fue considerado una masa densa, sino un espacio casi vacío con un diminuto núcleo en su interior. Electrones dispersos en toda la nube

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Rutheford en su laboratorio. Carga positiva

Partículas alfa

Comportamiento de las partículas alfa de ser cierto el modelo de Thomson.

Comportamiento de las partículas alfa determinado por el experimento de Rutheford.

Un poquito de historia Ernest Rutherford (1871-1937) nació en Nueva Zelanda y formó parte del equipo docente de la Universidad de Manchester (entre otras) desde 1907, investigando y enseñando física. Fue el primero en proponer la existencia del núcleo atómico. Inició sus investigaciones acerca de los fenómenos radioactivos en la Universidad de McGill, en Montreal. Recibió varios doctorados Honoris Causa de las más importantes universidades de la época, así como premios de gran prestigio, incluido el Premio Nobel de Química en 1908, por sus investigaciones acerca de la desintegración de los elementos y la química de las sustancias radioactivas. Fue un investigador representativo de la escuela inglesa que dio prioridad al laboratorio. Como una curiosidad, Rutherford publicó sus resultados sobre el átomo en la misma revista y en la misma ciudad donde cien años antes Dalton había publicado los suyos.

Ernest Rutherford visita la Universidad de Illinois en 1906. Los miembros del Departamento de Física posaron en las escaleras de la Facultad de Ingeniería. Adelante, de izquierda a derecha, están Rutherford, el Jefe del Departamento A.P. Carman y C.T. Knipp. Al medio están A.H. Sluss, F.C. Brown, C.S. Hudson, F.R. Watson, y W.F. Schultz; M. Case y W.M. Stempel (atrás). Rutherford ganó el Premio Nobel en Química dos años más tarde.

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El micromundo tiene sus propias leyes Una cosa inexplicable en el modelo de Rutherford era que los electrones pudiesen mantenerse alejados del núcleo, ya que cargas de signos diferentes se atraen. Esta contradicción pudo ser explicada por el danés Niels Bohr en 1913. Para ese fin, combinó aspectos de la física clásica con la novedosa Teoría Cuántica de Planck.

Bohr concibió a los electrones girando alrededor del núcleo en órbitas de un radio y un contenido de energía determinado, de forma tal que mientras cada electrón se mantuviese en su órbita no perdería energía y no caería sobre el núcleo (rompimiento con la física clásica). Mientras más cerca del núcleo, más fuertemente retenido estaría el electrón. Al suministrársele energía al átomo, el electrón podría irse alejando del núcleo pasando a órbitas cada vez más alejadas, hasta que la cantidad de energía fuera tal que el electrón se alejara definitivamente del núcleo formándose un ión positivo. El electrón no puede absorber cualquier cantidad de energía para pasar de una órbita interna a una más externa, sino que absorberá exactamente la diferencia de energía entre las dos órbitas. Esto llevó a afirmar que la absorción de energía no es continua (cualquier valor), sino que está cuantificada: es decir sólo acepta ciertos y determinados valores.

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Radio y energía de las órbitas del átomo de hidrógeno según el modelo de Bohr: rn=n2r1 r1=5,4x10-11m r 3= ? n= 1, 2, 3, 4, 5,... E En= 21 n

0

Electrón libre mínima atracción)

E3

-0,055

Electrón en la 3ra. órbita

E 3= ?

E2

-0,125

r1

r3

Energía del electrón/u.a.

r2

Electrón en la 2da. órbita

-0,500

Para pensar El hidrógeno, que es el átomo más pequeño que existe, sólo tiene un electrón. Como puedes ver en la figura, las energías de las dos primeras órbitas son respectivamente: -0,500 u.a.*; -0,125 u.a. ¿El electrón normalmente estará en la primera o en la segunda órbita? Para que el electrón pase de la primera órbita a la segunda hay que suministrarle al átomo una energía igual a: ¿0,500 u.a.; 0,125 u.a. o 0,375 u.a.? Si al electrón en la primera órbita se le suministra una energía igual a 0,125 u.a., entonces el electrón ¿se queda en la primera órbita, pasa a la segunda órbita, se queda entre las dos órbitas?

E1 Electrón en la 1ra. órbita (máxima atracción)

* u.a. representa la unidad de energía conveniente para expresar los movimientos electrónicos. Su valor es muy pequeño porque es para algo tan diminuto como un átomo. Los valores negativos indican atracción entre el núcleo y el electrón; mientras más negativo el valor más fuerte es la atracción.

E1= -2,18 x 10-18 J E2= -0,54 x 10-18 J E3= -0,24 x 10-18 J

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Niels Bohr (1885-1962), físico danés, trabajó con Rutherford en la investigación de la estructura atómica. Aplicó la Teoría Cuántica de Max Planck a la estructura del átomo. Sus propuestas todavía explican, en buena medida, las propiedades físicas y químicas de los elementos. Algunos biógrafos comentan que Bohr nunca llegó a ser el primero de su clase. Sin embargo, sus trabajos científicos le merecieron varios premios de gran prestigio, incluido el Premio Nobel de Física en 1922 por su aporte sobre la estructura de los átomos. Se dice que durante la ocupación nazi a Dinamarca (1940), Bohr disolvió su medalla de oro del Premio Nobel en agua regia para que las autoridades alemanas no se la confiscaran. Además, en su bitácora de laboratorio hizo notar: “el oro es muy poco reactivo y muy difícil de disolver”. Después de la guerra recuperó el oro y con él le fue rehecha la medalla. Algunos autores mencionan que la medalla disuelta era la del químico alemán Von Laue, quien se la confió para protegerla de los nazis. Bohr ya había donado la suya. Otros autores consideran que esta historia es un mito.

El mundo de la química

Capítulo II: De lo macro a lo micro

Representaciones del átomo Los modelos atómicos de Rutherford y Bohr representaban al átomo como un diminuto sistema solar, con el núcleo en el lugar del Sol y los electrones en vez de los planetas. La diferencia estribaba en que en el modelo de Rutherford los electrones podían estar a cualquier distancia del núcleo (como el presentado), mientras que en el de Bohr cada electrón podía estar sólo a ciertas distancias determinadas del núcleo, girando a su alrededor con velocidad constante en órbitas circulares.

Fascículo 4


Representaciones del átomo En 1916, Arnold Sommerfeld (en la fotografía) añadió órbitas elípticas a las órbitas circulares. En éstas, al acercarse el electrón al núcleo, para no ser capturado debía moverse más rápidamente. Al hacerlo, de acuerdo con los trabajos de Einstein, su masa aumentaría modificando su trayectoria. Las modificaciones de Sommerfeld trataban de salvar el modelo de Bohr de su incapacidad para explicar los espectros de los elementos. Hoy en día, el concepto de órbita desapareció, pero la gran contribución de Sommerfeld consiste en haber incorporado la relatividad de Einstein a la concepción del modelo atómico, al igual que unos pocos años antes Bohr había incorporado la teoría cuántica de Planck.

En el sistema solar, el Sol y los planetas se mantienen atraídos por fuerzas gravitatorias, mientras que en el átomo, el núcleo y los electrones se mantienen unidos por fuerzas eléctricas debido a sus cargas de signo contrario.

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En el átomo también existen las fuerzas gravitatorias, pero son muchísimo más pequeñas que las eléctricas. Las fuerzas gravitatorias siempre son atracciones. En las eléctricas hay atracciones entre cargas de signo diferente (núcleo y electrones) y repulsiones entre cargas iguales (entre un electrón y otro electrón). La fuerza de atracción gravitatoria entre dos protones separados por una distancia igual a 1 x 10-11 m (el tamaño del núcleo) es de 1,9 x 10-38 N (Newton), mientras que, a la misma distancia, la de repulsión electrostática es de 2,3 x 10-2 N. Como puedes ver, la fuerza electrostática que se ejerce entre las mismas partículas es muchísimo mayor que la gravitatoria, de tal forma que esta última se desprecia al estudiar el micromundo. Werner Heisenberg (derecha) y Erwin Schrödinger (izquierda) con el rey de Suecia en la ceremonia del Premio Nobel de 1933. (Fotografía cortesía: Max-Planck-Institut, Archivo visual de Emilio Segrè). Fuente: physicsweb.org/box/ world/14/12/8/pw1412085

El adiós a las órbitas planas y la bienvenida a los orbitales A partir de 1926, a la luz de los trabajos de Werner Heisenberg, Louis de Broglie, Erwin Schrödinger, Max Born y Paul Dirac, los electrones dejaron de concebirse como partículas girando en órbitas planas a una distancia fija del núcleo. El concepto de órbita fue sustituido por el de orbital, que es una función matemática que permite obtener información sobre la pequeña región del espacio alrededor del núcleo donde es más probable encontrar al electrón. Estas regiones pueden diferir en tamaño, forma, orientación espacial y energía. El átomo es un núcleo rodeado por electrones, pero no se puede precisar dónde está cada electrón, sólo hay regiones donde es más probable encontrarlos. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo II: De lo macro a lo micro • fascículo 4


Antecedentes

Modelos atómicos

Puntos resaltantes

Naturaleza atómica de la materia Átomo indivisible e indestructible Discontinuidad (vacío) Demócrito s. IV a.C.

Sucesivos descubrimientos de elementos. Leyes de las reacciones químicas y del comportamiento gaseoso

Átomo indivisible Átomo como esfera, masivo Correlación átomo-elemento Dalton 1808

Electroquímica, electrólisis y pilas Clasificación de los elementos de Mendeleiev

Interpretación de los espectros de los elementos

Rayos catódicos Descubrimento del electrón

Átomo divisible Primera visión de la estructura atómica

Teoría cuántica de Planck

27

Thomson 1904

Trabajos de Einstein Experimento de Rutheford

Descubrimiento del diminuto y masivo núcleo Átomo con núcleo y corona Rutherford 1911

Órbita y niveles energéticos Capas de electrones Leyes para el micromundo Bohr 1913

Órbitas elípticas Consideraciones relativistas Bohr-Sommerfeld 1916

Mecánica cuántica Heisenberg Orbital y probabilidad

Modelo atómico actual (a partir de 1920)

Periodicidad Enlace químico Propiedades de los materiales

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Apoyo didáctico Una oportunidad para que el docente aclare preguntas como: ¿Existen los electrones? ¿Cómo son los electrones? ¿Existen los orbitales? ¿Cómo son los orbitales? Si el criterio para que algo exista es llegar a verlo, la respuesta sería que no existe ni existirá el electrón, pues dada su pequeña masa y su pequeño tamaño es imposible verlo. Pero el concepto de electrón permite explicar los rayos catódicos, la conducción eléctrica, la formación de los iones que componen los cristales como el de la sal común... Luego, existe el electrón aunque no podamos verlo. De la misma forma, no se podrían ver ni las órbitas de Bohr, ni los orbitales cuánticos. Las primeras dejaron de existir cuando fueron incapaces de explicar el comportamiento de los átomos; por lo contrario, los segundos existen pero nadie los verá. Son construcciones matemáticas para explicar el comportamiento físico-químico de la materia. El orbital es una abstracción matemática que se puede relacionar con la región en la cual es más probable encontrar el electrón, y esta región puede tener forma. Simulación de la nube de electrones interpretando los electrones y protones como partículas.

28

Probabilidad (Distribución radial)

Fuente: http://www-vis.lbl.gov

Por esta razón es frecuente que algunos autores abandonen la visión del electrón como una pequeña partícula que se mueve alrededor del núcleo y lo presenten esparcido alrededor del núcleo, de acuerdo con la forma del orbital, dando origen a una nube de carga negativa y a una masa. La figura representa la distribución espacial de la probabilidad de encontrar el electrón del hidrógeno alrededor del núcleo. La probabilidad es mayor donde el color es más intenso. No se puede saber dónde está el electrón en un momento dado, pero sí cuál sería la probabilidad de encontrarlo en algún lugar. Puedes ver que la probabilidad se va haciendo cada vez menor a medida que el electrón se aleja del núcleo.

0,053 nm Distancia desde el núcleo

¿Sabías que...? Espectros de líneas brillantes Recipiente con gas incandescente (caliente)

La radiación se hace pasar por una ranura y luego un prisma la descompone. Finalmente, al llegar a una pantalla deja una imagen (espectro) formada por líneas brillantes.

Espectro del hidrógeno

Espectro del sodio

Espectro del helio

Siempre se ha insistido en que Bohr, con su modelo, aspiraba a explicar los espectros discontinuos de emisión de radiación producidos por los elementos en estado gaseoso. Estos espectros consistían en líneas separadas; cada línea se asociaba con la transición de un nivel energético más externo a uno más interno dentro del átomo. Sin embargo, para Bohr era de gran importancia que su modelo sirviese para explicar las propiedades de los elementos y la clasificación periódica, en lo cual había sobresalido el ruso Dimitri Mendeleiev. Bohr sugirió que las propiedades químicas y físicas de los elementos dependían de cómo se distribuyesen los electrones alrededor del núcleo. Para ello propuso la existencia de capas de electrones (K, L, M, N...) en la corona. Con ellas explicó las propiedades de los elementos e, incluso, elaboró una tabla periódica. En los próximos fascículos conocerás mucho más al respecto. Espectros de algunos elementos. El amarillo del sodio lo puedes ver en tu casa con sólo agregar un cristal de sal al fuego. El rojo del hidrógeno corresponde a la transición desde el tercer nivel energético (n=3) al segundo nivel energético (n=2). En cuanto al espectro del helio, permitió el descubrimiento de este elemento en la radiación proveniente del Sol (helio en griego).

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¿Partícula u onda? ¡Partícula y onda! Interesante Una de las grandes controversias de todos los tiempos es saber si algo es onda o partícula. La discusión empezó en el siglo XVII con la luz. Para Newton la luz estaba formada por partículas mientras que para Huygens sólo eran ondas. La polémica pareció estar decidida a favor del segundo, hasta que a comienzos del siglo XX la luz debió ser considerada como partícula (fotón) para lograr explicar que un fotón de luz podía mover a un electrón. El electrón no se salvó de esta controversia que existió casi desde el descubrimiento de los rayos catódicos. Durante unos treinta años triunfó la concepción de la luz como partícula, siendo J.J. Thomson determinante en esta consideración (que lo llevó a obtener el Premio Nobel). A diferencia de Heisemberg, Schrödinger sostuvo la concepción ondulatoria. Louis de Broglie concilió ambas posiciones al establecer la dualidad, proponiendo que toda partícula en movimiento tiene una onda asociada. Finalmente, en 1937, Clinton Davisson y George Thomson (hijo único de J.J Thomson ) obtuvieron el Premio Nobel cuando lograron la difracción del electrón lo que probó su comportamiento como onda (el padre obtuvo el Nobel por probar que el electrón era partícula y el hijo por probar que era onda). Hoy se acepta su dualidad y se hace uso de ella. Por ejemplo, en los televisores los electrones se comportan como partículas, mientras que en un microscopio electrónico se comportan como ondas.

Clinton Joseph Davisson,

George Paget Thomson,

norteamericano (1881-1958).

inglés (1892-1975).

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Louis-Victor Broglie, príncipe de Broglie (1892-1987).

Si se hace llegar un haz de electrones sobre una rendija muy angosta (figura A), se observa en la pantalla una mancha más intensa en la dirección de la rendija, como se esperaría si se supone el comportamiento de partícula para el electrón. Si, en cambio, se hace llegar el mismo haz sobre una lámina con dos rendijas (figura B), en vez de obtener dos manchas en la dirección de las rendijas, se observa la mancha más intensa en el punto medio entre las rendijas. Este comportamiento es típico de las ondas en el fenómeno denominado interferencia.

A

B

Pantalla

Lámina con rendija

Pantalla

Lámina con dos rendijas

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¿Son iguales los orbitales de un átomo? La respuesta es no. Cada electrón se va “ubicando” dentro del átomo en orbitales. Primero serán “escogidos” aquellos orbitales donde el electrón se encuentra más fuertemente atraído por el núcleo. Cada orbital se denota de la siguiente manera: A. Un número (n) que se coloca a la izquierda: 1, 2, 3, 4, ... B. Una letra que se coloca a la derecha: s, p, d, f. C. Y un subíndice de ser necesario.

S

p

d 1

2

El número n aporta información sobre el tamaño del orbital y su energía. Mientras mayor sea el valor de n mayor será el tamaño del orbital. Al aumentar el tamaño aumenta la probabilidad de encontrar al electrón lejos del núcleo; estará retenido más débilmente, pudiendo ser más fácil separarlo del átomo. Cada valor de n determina el número de letras que le pertenecen. Para n=1 habrá una sola letra (s), entonces para n=1 habrá solamente orbitales 1s. Para n=2 habrá dos letras (s y p), luego para n=2 habrá orbitales 2s y 2p. Para n=3 habrá orbitales 3s, 3p y 3d. z y

30

x

¿Se puede distinguir a un electrón de otro? La respuesta es no. Todos los electrones son iguales. Cada electrón tiene tres propiedades que lo diferencian de cualquier otra partícula. Esas propiedades son: su carga (q =-1unidad de carga), su masa (me = 0,0005u*) y su spin (s = 1/2). Pero la primera pregunta sería, ¿qué es el spin?

3

Las letras aportan información sobre la forma del orbital. Por ejemplo, los orbitales s asemejan esferas alrededor del núcleo. Las letras también aportan información sobre la energía del orbital. Así, para un valor dado de n, los electrones son más fuertemente retenidos para s que para p y así sucesivamente. Los subíndices indican las orientaciones espaciales de los orbitales. Para s, que tiene forma esférica, la orientación espacial es única. Luego, no hacen falta subíndices. Para p hay tres posibles orientaciones espaciales, una para cada eje de coordenadas, por lo que habrá orbitales px, py y pz. Para d hay 5 posibles orientaciones espaciales. Como sólo hay tres ejes de coordenadas sus orientaciones son un poco más complejas.

El físico austro-suizo Wolfgang Pauli sugirió, en 1925, la existencia de un giro del electrón alrededor de su propio eje. Como no hay más que dos posibilidades de giro: en el sentido de las agujas del reloj o en sentido inverso, Pauli dio al spin el valor 1/2 y diferenció los sentidos (ms) dándole los valores 1/2 y –1/2. El spin hoy es considerado una propiedad característica de la materia, como la masa y la carga. Por su trabajo Pauli recibió el Premio Nobel en 1945.

ms = 1/2 se le asocia con el sentido contrario a las agujas del reloj. También lo llaman spin up (hacia arriba).

Una confirmación de la existencia de dos ms son las dos rayas (doblete) que aparecen en el espectro del sodio de la página 28. El electrón más externo del sodio (3s1) puede ser excitado a 3p1. Al regresar al 3s1 emitirá luz que originará una raya en el espectro; instrumentos de alta resolución permiten observar que en realidad son dos rayas muy próximas. *u representa la unidad de masa atómica. Su valor es ínfimo: 1,7x10-24g.

ms = -1/2 se le asocia con el sentido de las agujas del reloj. También lo llaman spin down (hacia abajo).

Pauli y Albert Einstein.

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¿Cómo se “ubican” los electrones dentro de un átomo? Si existen dos valores de ms, entonces en cada orbital se pueden ubicar hasta dos electrones como máximo. Un tercer electrón tendría que repetir alguno de los valores de ms y eso no es aceptable. El Principio de Exclusión de Pauli establece que de haber dos electrones en un mismo orbital, deberán tener distintos valores de ms. De acuerdo con lo anterior, para el número 1 hay un solo orbital y en él se pueden ubicar hasta dos electrones. Para 2 hay cuatro orbitales, por tanto se pueden ubicar ocho electrones. Para 3 hay nueve orbitales, luego, se pueden ubicar hasta 2p dieciocho electrones. El orden de ocupación de los orbitales va desde los orbitales más internos, donde los electrones son más fuertemente 1s 2s atraídos, hacia los más externos. Observa la figura.

4f

5f

3d

4d

5d

3p

4p

5p

6p

7p

3s

4s

5s

6s

7s

Utilizando el diagrama se puede establecer el orden en que se distribuyen los 27 electrones presentes en un átomo neutro de cobalto (Co). El orden es: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d7. El comportamiento de los átomos depende de su configuración electrónica (forma como se distribuyen los electrones en los átomos), sobre todo de los electrones más externos, que son los que interaccionan más fácilmente con otros átomos iguales o diferentes.

6d

Para pensar Determina el orden de llenado de los electrones de un átomo de bromo.

31

En 1995 le fue otorgado a Ramon Wyss un importante reconocimiento por sus contribuciones a la comprensión del comportamiento del núcleo atómico bajo condiciones extremas.

¿Y cómo es el núcleo? La visión del diminuto núcleo, que se tenía en 1911, también ha ido cambiando en el tiempo. Al comienzo se le consideró formado por protones (descubiertos en 1919 por Rutherford): pequeñas unidades de carga positiva y masa unas 1 800 veces mayor que la de un electrón, que había sido descubierto por J.J.Thomson en 1897. El número de protones en el núcleo (denominado número atómico y representado mediante la letra Z) permite identificar a cada elemento. La suma de las cargas de los protones da la carga nuclear del átomo. En 1932, James Chadwick descubrió la existencia de los neutrones, partículas sin carga y con masa parecida a la de los protones. La carencia de carga y su escasa existencia como partícula libre, hicieron que se descubriese mucho después que el protón. El no tener carga le da a los neutrones un gran poder de penetración, pues no son desviados ni repelidos. La masa de un núcleo de helio es menor que la suma de las masas de los nucleones (neutrones y protones). Al formarse el núcleo de helio se pierde masa. Ésta se transforma en energía, de acuerdo con la ecuación de Einstein (E=mc2). Perder energía significa que en el estado final el núcleo es más estable que los cuatro nucleones separados. Es decir, el átomo de helio no se desintegra por sí solo.

1,0073 u

p+

1,0073 u

p+

1,0087 u

n

1,0087 u

n

4,0320 u

2p+ 2n

-0,0305 u

4,0015 u

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La caída del último postulado de Dalton. Isótopos El número de neutrones en núcleos de un mismo elemento puede variar, no así el de protones. A los átomos de un mismo elemento que poseen diferente número de neutrones se los llama isótopos (que significa "igual lugar", aludiendo a que, como pertenecen a un mismo elemento, deberán ocupar el mismo lugar en la Tabla Periódica). Las masas de los isótopos son diferentes aunque sus átomos pertenezcan al mismo elemento. Ésta es la última modificación que se hizo al modelo de Dalton.

Electrón

Electrón

Protón

Protón Neutrón

Hidrógeno (1H)

Hidrógeno (12H)

1

Electrón

Protón Neutrones

Hidrógeno (3H) 1

El hidrógeno tiene tres isótopos: hidrógeno, deuterio y tritio. De los tres, el primero es mucho más abundante. Todos tienen un protón en el núcleo, que es lo que caracteriza al elemento hidrógeno. Al número de protones se le denomina número atómico. Se lo representa por Z y se escribe a la derecha del símbolo, en la parte inferior. Al número de nucleones del átomo se le denomina número másico, se le representa por la letra A y se escribe a la izquierda del símbolo, pero en la parte superior. Así los isótopos del hidrógeno son: 1H, 2H y 3H.

32

1

Como el número de protones, y no el número de neutrones, determina el número de electrones, y estos últimos al distribuirse alrededor del núcleo, a su vez determinan las propiedades químicas, es imposible diferenciar a un isótopo de otro basándose en las reacciones químicas. Para separar los isótopos de un elemento, e incluso determinar la abundancia de cada uno, se utilizan los espectrógrafos y los espectrómetros de masas.

1

1

Esquema sencillo de un espectrómetro de masas Campo magnético variable Ionización

Cámara de introducción de la muestra

Aceleración de iones Los iones describen trayectorias definidas en función de la relación m/z adquirida para un valor del campo magnético

Alto vacío

Los isótopos se separan dando distintas señales en una placa fotográfica (espectrógrafos) o en un gráfico (espectrómetros). Las señales más intensas o más prominentes corresponden al isótopo más abundante de un elemento dado. Mientras mayor sea la masa del isótopo menos se desvía el átomo, es decir, menor curvatura tiene su trayectoria.

Rendija de recolección de iones enfocados por el campo magnético

Detector/registrador

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Apoyo didáctico Una excelente oportunidad que puede utilizar el docente para comparar distintos tipos de fuerza En el núcleo del átomo hay fuerzas que permiten atracciones entre protones, entre neutrones y entre neutrones y protones. La única condición que se requiere para que estas fuerzas actúen es que protones y neutrones tengan masa, y ¡ellos la tienen! También hay fuerzas electrostáticas de repulsión entre los protones, pues tienen cargas del mismo signo. Estas últimas son muchísimo mayores que las gravitatorias y destruirían al núcleo de no ser por un tercer tipo de fuerzas, las fuerzas nucleares fuertes, que se parecen a las gravitatorias en no tener nada que ver con la carga y sólo ser de atracción; pero se diferencian de las gravitatorias y de las electrostáticas en que son de mucho mayor intensidad y de corto alcance, por esto los nucleones (protones y neutrones) tienen que permanecer muy juntos, haciendo al núcleo tan pequeño.

El inventor del ciclotrón (acelerador de iones) E. O. Lawrence y E. McMillan, uno de los descubridores del principio de estabilidad, muestran el punto de aceleración en la entrada de la estructura del electrodo semi-circular.

El mundo de la química

Capítulo II: De lo macro a lo micro Un poco de historia: Arístides Bastidas Nació en San Pablo, estado Yaracuy, el 12 de marzo de 1924. Autodidacta, fue uno de los pioneros en la divulgación de la ciencia en Venezuela. Dirigió la página científica del diario El Nacional donde se insertó su columna "La ciencia amena". Cofundador de la Asociación Iberoamericana de Periodismo Científico en 1969 y fundador del Círculo de Periodismo Científico de Venezuela en 1974, se hizo acreedor de muchos premios nacionales e internacionales, entre los cuales está el Premio Kalinga (París, 1982) otorgado por la Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (Unesco). Produjo más de 20 libros entre los que se incluyen algunos muy relacionados con el contenido de este fascículo: "El átomo y sus intimidades", "Científicos del mundo" y "Aliados silenciosos del progreso". Consideró la divulgación de la ciencia como un instrumento para lograr la autodeterminación tecnológica y cultural de los países. Murió en Caracas en 1992.

Fuente: Diccionario Multimedia de Historia de Venezuela (1999). Fundación Polar.

Fascículo 5


Apoyo didáctico Una excelente oportunidad que puede utilizar el docente para comparar distintos tipos de fuerza Hay fuerzas nucleares fuertes y débiles. Las fuertes son 100 veces mas fuertes que las electrostáticas y muchísimo más fuertes que las gravitacionales y las denominadas fuerzas nucleares débiles. Las fuerzas fuertes son las que mantienen unidos a los nucleones dentro del núcleo. No tienen nada que ver con la masa ni con la carga. Por su parte las fuerzas nucleares débiles son las causantes de las transformaciones espontáneas entre especies nucleares como, por ejemplo, la transformación de un neutrón en un protón.

FUERZA

NUCLEAR

Intensidad relativa

1

Ejemplo

10-2

p+ n

ELECTROSTÁTICA

e-

DÉBIL

GRAVITACIONAL

10-14

10-37

ep+

p+

1 0

n H+e1 1

Una descripción de la estructura atómica, basada en la consideración de electrones, protones y neutrones es suficiente para explicar una parte del comportamiento químico de los materiales. Sin embargo, desde la tercera década del siglo XX, no sólo se configuró un modelo matemático del átomo en general, sino que se inició uno del núcleo y una serie de partículas que se fueron descubriendo. Al átomo que considera sólo protones, neutrones y electrones se lo llama "el átomo de los químicos".

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¿Sabías que...? Cuando el número de protones y neutrones en el núcleo es muy grande, éste se hace inestable y comienza a emitir rayos (α,β,γ) para producir núcleos más estables. Los rayos α son núcleos de helio y los β son electrones; en cambio los rayos γ, al igual que los rayos X y la radiación (ultravioleta, visible, infrarroja y microondas) son de naturaleza energética y formados por fotones.

239 94

235 92

Pu 4 2

U

He

La figura representa una reacción en la cual un núcleo de plutonio emite una partícula alfa para originar un núcleo de uranio.

Primera muestra de plutonio obtenida durante la Segunda Guerra Mundial (1942).

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La figura corresponde a las distintas regiones conocidas del espectro electromagnético y las aplicaciones de cada región. La energía aumenta de derecha a izquierda mientras que la longitud de onda aumenta de izquierda a derecha. Como puedes notar, la región visible es realmente angosta. Aumento de longitud de onda (λ)

10-11

10-9

Rayos gamma

Rayos X

Rayos X

10-8 Ultra violeta

Lámparas solares

10-6

10-1

1

10

Tipo de radiación Infrarrojo

visible

λ(m)

Lámparas caloríficas

Ondas de radio

Microondas

Hornos, radar, estaciones satélite

TV UHF, teléfonos celulares

Radio FM, TV VHF

Radio AM

Aumento de energía

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Partículas y más partículas Actualmente se sabe que en el átomo existen muchas partículas, además de los electrones, protones y neutrones. En 1928, Dirac predijo la existencia de antipartículas: antielectrón o positrón (un "electrón" cargado positivamente), antiprotón (un "protón" cargado negativamente) y antineutrón (que difiere del neutrón por tener spin opuesto, si uno es "hacia arriba" el otro es "hacia abajo"). A partir de los rayos cósmicos (núcleos atómicos, principalmente de hidrógeno, provenientes de las estrellas) y en los aceleradores de partículas, se han obtenido las antipartículas mencionadas y muchas más, como el neutrino ("pequeño neutrón") y su antineutrino, predichos por Pauli (1927) y Fermi (1934) respectivamente.

Para pensar

Núcleo

Antineutrino Partícula beta negativa (electrón)

Núcleo con un neutrón menos y un protón más

Núcleo

Neutrino y antineutrino son partículas elementales sin carga y prácticamente sin masa, cuya existencia permite conservar la energía en las reacciones nucleares, además de otras leyes de conservación de la Física. Ellas son antipartículas entre sí. Entonces, ¿en qué propiedad difieren para ser consideradas antipartículas? Neutrino Partícula beta positiva (positrón)

Núcleo con un protón menos y un neutrón más

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“Zoológico” de partículas El número de partículas descubiertas ha aumentado de tal forma, que motivó al físico norteamericano Murray GellMann (a partir de 1953), y a otros científicos, a buscar un orden en ese "zoológico de partículas", por lo que se debía determinar cuáles eran las partículas elementales y cuáles se forman a partir de ellas. El electrón es una partícula elemental pues no posee estructura alguna. Pero, ¿ocurre lo mismo con el protón y con el neutrón? ¡Sorpresa! No son partículas elementales sino que están formadas por tres quarks. ¡Pero que no cunda el pánico! Los quarks dentro de los protones y neutrones están muy fuertemente atraídos entre sí, tanto que es imposible tener un quark separado de otro. Quarks y leptones son las unidades con las que se construye toda la materia. El electrón y los neutrinos se encuentran entre los leptones.

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Para pensar Los dos quarks más frecuentes son denominados arriba (up) cuyo símbolo es u, y abajo (down) de símbolo d. El primero tiene carga +2/3 y el segundo carga -1/3. Es sabido que el neutrón tiene carga cero y el protón carga 1. Ambos se forman a partir de tres quarks. ¿Cuál de las siguientes combinaciones corresponde al neutrón (n) y cuál al protón (p)? ( ) uuu

( ) uud

( ) udd

( ) ddd

Lo verdaderamente importante no es que conozcas todas las partículas que existen, ni siquiera cuáles son las elementales. Lo realmente importante es disfrutar de la forma como se hace la ciencia, esa competencia maravillosa entre experimentación y teoría, donde a ratos una se adelanta a la otra, pero sin poder desprenderse, como los quarks.

Ilustración de la aniquilación de un electrón y un positrón para transformarse en energía (rayos γ). De esa forma, la materia se convierte en energía de acuerdo con la ecuación de Einstein; E=mc2.

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Apoyo didáctico Una oportunidad para que el docente aproveche las historietas de la televisión para aclarar algunos aspectos relacionados con las partículas elementales Muchos personajes de las historietas tienen nombres relacionados con las partículas, como Jimmy Neutrón. Esto daría oportunidad para preguntar por qué creen que se escogió ese nombre para el pequeño genio inventor. Otros, como el gigante verde Hulk, en una de sus historias es encerrado en una fosa cubierta de antimateria. Esto daría entrada para discutir lo que es antimateria y qué propiedad tiene ésta que impide a Hulk escapar.

En la serie Star Trek (Viaje a las estrellas) había un personaje llamado Quark.

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Un poquito de historia: Murray Gell-Mann Nació en Nueva York el 15 de septiembre de 1929. Estudiante brillante, obtuvo de su padre la pasión por la matemática y la ciencia. Su inclinación inicial fue hacia otros aspectos como: paleontología, lingüística y biología. Luego fue cautivado por la física. Obtuvo su doctorado en 1952, a los 23 años. En 1963, de forma independiente, él y su colega George Zweit presentaron la Teoría de los Quarks. En 1969 se hizo acreedor del Premio Nobel de Física. Se le deben las Teorías de la Extrañeza y la Cromodinámica, de gran importancia en el estudio de las partículas elementales. Ha compartido la docencia universitaria con la investigación. En 1994 escribió "El quark y el jaguar", trabajo en el cual insiste en su convencimiento de que la complejidad se origina de elementos simples: el jaguar proviene de los quarks.

¿Sabías que...? El término quark es una palabra inventada por el escritor inglés James Joyce (1882-1941) en la frase: "Three quarks for the Muster Mark". Al físico Gell-Mann le cautivó la sonoridad de tal invento literario. Según Isaac Asimov (1920-1992), esto podría traducirse como "Tres cuartos para el señor Mark" y representaría una petición de una cantidad de cerveza. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo II: De lo macro a lo micro • fascículo 5


¿Cuán grandes son el núcleo y el átomo? Para dar una idea del tamaño del núcleo y del átomo hay que usar unidades de medida muy pequeñas. Lo mismo ocurre con la masa de ambos. Si suponemos que un átomo tiene forma esférica, el radio del mismo sería 1x10-8 cm (0,000 000 01 cm). El núcleo, que es 10 000 veces más pequeño, tendrá un radio de 1x10-12 cm (0,000 000 000 001 cm). Si bien el tamaño de los átomos difiere de un elemento a otro, siempre será tan pequeño que visualizar un átomo aislado es imposible. Se tienen algunas imágenes que más que la estructura de los átomos nos dan información de su tamaño y disposición en un cristal. La masa de los átomos también difiere de un elemento a otro pero está alrededor de 1x10-24 g (0,000 000 000 000 000 000 000 001 g).

En 1986, el alemán Gerd Binnig y el suizo Heinrich Rohrer obtuvieron el Premio Nobel de Física, al desarrollar la técnica de “Microscopía de túnel de barrido” en los laboratorios de investigación de la IBM. Mediante esta técnica se obtienen imágenes, como la superior, donde se aprecia un corral circular de radio 7,13 nm formado por 48 átomos de hierro (los puedes contar), sobre una superficie de cobre metálico.

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Micro y macromundo: dos realidades estrechamente relacionadas No vemos los átomos aislados, pero sus modelos han hecho posible explicar su comportamiento individual y colectivo que lleva a la formación de moléculas y a los estados de agregación. Esos modelos nos han permitido no sólo explicar y predecir comportamientos, sino también ser más asertivos en la utilización de los materiales existentes y en la preparación de nuevos materiales que contribuyen a mejorar cada vez más nuestra calidad de vida. Las propiedades de los materiales que observamos, como dureza, maleabilidad, color, conducción eléctrica, conducción del calor y otras propiedades macroscópicas, si bien dependen de los átomos que forman el material y de la forma en que se disponen en el mismo, no son observables sino cuando se tiene en cuenta la presencia de gran cantidad de átomos, superior, incluso, al millón.

Aquí podemos observar otra toma realizada con este tipo de miscroscopio de túnel de barrido denominada tipo “corral”.

¿Sabías que...? Para llenar una cuchara sopera se necesita un cuatrillón de moléculas de agua (1x1024 = 1 000 000 000 000 000 000 000 000). Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo II: De lo macro a lo micro • fascículo 5


Nanoestructuras El hombre, a pesar de "sus manotas", avanza cada vez más en fabricar cosas muy pequeñitas tales como agrupaciones de un número reducido de átomos. La estructura de estas agrupaciones determina sus propiedades. Algunas de estas agrupaciones serán de gran interés en medicina, por ejemplo, por poseer el tamaño adecuado para atacar microorganismos o para reparar estructuras dentro de nuestro cuerpo. Hoy en día se utilizan, por ejemplo, en la producción de películas de muy delgado espesor que protegen la vida de otros materiales. Estas agrupaciones de número reducido de átomos o moléculas son conocidas como nanoestructuras y los países invierten hoy grandes cantidades de dinero en la investigación en este campo, así como lo hacen en la producción de nuevos materiales. Nano (nm) es un prefijo que significa 10-9. Referido al metro significaría 10-9 m o 10-7 cm. Si el tamaño de los átomos es del orden de 10-8 cm, es evidente que en las nanopartículas se está trabajando con grupos formados por unos pocos átomos. Por ejemplo, en un cubo de 1 nm de arista hay aproximadamente unos 200 átomos. Para manipular cosas tan diminutas se necesitan nanomanipuladores controlados por computadoras y microscopios atómicos. En el cine ya se habla de tecnologías "nano". En la película de ciencia-ficción-acción, "Yo, robot" (2004), ambientada en Chicago en el año 2035, Sonny, un robot diferente a los demás robots, debe inyectar "nanorobots" a un malvado engendro para evitar que tenga éxito una revolución que pretende someter a los humanos al dominio de los robots. Finalmente, el héroe de la película cumplirá esta misión para que Sonny salve a la heroína.

Un poquito de historia:

39

Escritor estadounidense (1920-1992). Su familia se trasladó a Nueva York cuando apenas tenía tres años. En la tienda de su padre comenzó a tener contacto con las revistas de ciencia-ficción. Asimov obtuvo su doctorado en bioquímica en 1948. Ejerció la docencia hasta 1958 cuando se dedicó por completo a escribir. Hizo grandes contribuciones a la divulgación de la ciencia a través de su trabajo como historiador y novelista de ciencia-ficción. Entre sus obras, más de 500, se destacan: Yo Robot (1950), Los propios dioses (1972), Enciclopedia Biográfica de la Ciencia y la Tecnología (1964, revisada en 1982), Breve Historia de la Química (1975) y Átomo (1991), además de sus series sobre "las Fundaciones". Opinó que todo lo que existe es producto del esfuerzo de los seres humanos en el curso de su historia.

Apoyo didáctico Partiendo de los modelos atómicos, el docente debe hacer énfasis en para qué se formulan modelos. ¿Cómo creer en la existencia de algo que no podemos ver por ser muy pequeño o muy grande o muy complejo? La respuesta es simple: se elaboran modelos para explicar y predecir. Los griegos sustentaron sus modelos en el razonamiento; posteriormente fue necesaria una concordancia entre razonamiento y hechos observados, sobre todo de procedencia experimental. Sus resultados no sólo debían ser comprobables sino también comunicables, para lo cual los modelos son de gran utilidad. Cada modelo nos permite formarnos una imagen de cómo deberían ser los objetos de acuerdo con su comportamiento. Mientras más rasgos de su comportamiento puedan ser explicados con el modelo, más útil será éste. Es aconsejable que con materiales de bajo costo el docente trate de que sus estudiantes elaboren maquetas sobre aspectos presentados en este fascículo, lo cual le permitirá estimar la comprensión de estos temas por parte de sus alumnos. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo II: De lo macro a lo micro • fascículo 5


Capítulo III:


9 H

8

He

Abundancia relativa de los elementos químicos en el Universo

7 6 O C

5

Ne Mg Ne Si S

4

Ar

3 Al Na

2

P

Ti Cl K

F

Abundancia relativa (log)

Ni Cr

1 0

Fe

Ca

Mn Co

V

Kr Sr Ge Se Zr

B

-1

Zn

Cu L

Sc

Be

Ga Br

-2

Y Rb

As

-3 -4 5

10

15

20

25

30

35

Ba Pb Te Xe CdSn Pt Ce RuPd Nd Gd DyEr Yb Os Hg Nb Sm I CsLa Hf W Ir Ag Sb Tl Pr Rh Ho Au Bi In Eu Tb Tm ReIr Lu Ta Mo

40 45 50 55

60

65

70

75

Nº atómico (z)

El mundo de la química

Los elementos químicos ¿Cuán abundantes son los elementos químicos? De los 112 elementos que aparecen en la tabla periódica, la Tierra alberga alrededor de 90. De éstos, 81 elementos son estables, mientras que los 9 restantes existen como isótopos radioactivos inestables. Los elementos posteriores al uranio (Z=92) no se encuentran en la naturaleza y han sido obtenidos artificialmente mediante el uso de aceleradores de partículas. La mayoría de los elementos se obtienen de la corteza terrestre, y otros de la atmósfera y de los océanos. Algunos se encuentran en forma libre y sin combinar. Sin embargo, muchos de ellos se combinan unos con otros para formar compuestos, y éstos entre sí forman los minerales, las rocas y los suelos. De los suelos se extraen los minerales que son la base de la riqueza de algunos países del mundo. Los metales, en gran parte, provienen de los minerales. Los metales más abundantes que existen en la corteza terrestre en forma mineral son: aluminio, hierro, calcio, magnesio, sodio, potasio, titanio y manganeso. El agua de mar es una rica fuente de iones metálicos como Na+, Mg+2, Ca+2, Cl-1, CO32-, SO42-... Por otra parte, la obtención de metales con alto índice de pureza como el hierro y el aluminio, entre otros, se logra mediante procesos metalúrgicos.

Calcio 1,5% Nitrógeno 3% Hidrógeno 10% Carbono 18%

Fósforo 1% Otros: azufre, hierro, sodio, zinc, cloro, magnesio, silicio y potasio 1,5%

Oxígeno 64%

Composición química del cuerpo humano.

Fascículo 6

80


El origen de los elementos químicos La teoría más aceptada, hoy en día, para explicar el origen del Universo es la del “Big Bang” o la Gran Explosión. Ésta postula que hace diez mil o veinte mil millones de años, toda la materia y energía presente, incluyendo el espacio que ellas llenan, se concentró en un volumen muy pequeño y por tanto de una densidad e inestabilidad muy grande. Al ocurrir la inmensa explosión, todo comenzó a expandirse en un proceso que aún no ha cesado.

15x108 años 8

1x10 años 1x105 años 3 minutos -10

1 segundo

10 segundos 10-34 segundos 10-43 segundos

En el Universo primitivo se formó hidrógeno y helio, a partir de las partículas elementales que existían o se formaban como producto de la explosión primigenia.

1032 ºK 1027 ºK 1015 ºK

Sin embargo, el resto de los elementos no podían conformarse en tales condiciones, pues sus núcleos atómicos se disociarían a tan altas energías. A medida que ocurría la expansión del Universo, las temperaturas fueron disminuyendo y, con el tiempo, las estrellas se convirtieron en las fábricas naturales de elementos.

1010 ºK 103 ºK

Radiación Partículas Partículas pesadas Quark Antiquark Electrón

3000 ºK

Positrón Protón Neutrón

18 ºK

Hidrógeno Deuterio Helio Litio

3 ºK

La capacidad que tienen las estrellas para producir determinados elementos químicos depende de sus masas, que pueden ir desde 0,1 hasta 100 veces la masa del Sol. De esta forma, la enorme fuerza gravitacional de estos cuerpos estelares propiciará el proceso.

42

Formación de una estrella

Ello tiene lógica: para que dos núcleos atómicos se fusionen es necesario vencer la fuerza eléctrica de repulsión de estas partículas, de tal manera que puedan acercarse a una distancia que les permita atraerse mediante la denominada “fuerza nuclear fuerte”. En sucesivas fusiones nucleares se van conformando los núcleos de elementos cada vez más pesados, hasta llegar al isótopo más estable del hierro que es el 56. Por ser éste el núcleo más estable, a partir de allí ya no es posible continuar la fusión de núcleos, por lo que entra en vigencia una vía energéticamente menos exigente: la captura de neutrones que, al no tener carga eléctrica, pueden penetrar en los núcleos sin ser repelidos. Luego este núcleo emite radiación beta, dando origen a un nuevo elemento.

2 1

H

3 1

H

1 0

4 2

n

He

La reacción de fusión de un núcleo de deuterio (hidrógeno2) y uno de tritio (hidrógeno-3) para dar un núcleo de helio-4 y un neutrón: 2

H + 3H

4

He + 1n

Interesante Las estrellas mucho más pesadas que el Sol pueden convertirse en supergigantes. Algunas de ellas explotan dando lugar al fenómeno llamado Supernova, lo que contribuye tanto a la síntesis de nuevos elementos, como a su dispersión en otras regiones del Universo. Un fenómeno interesante ocurre cuando las partículas constituyentes de los rayos cósmicos colisionan en el espacio exterior, fuera de las estrellas, produciendo fragmentos más pequeños. Estas reacciones nucleares permiten explicar la formación de los elementos livianos: litio, berilio y boro, debido a que los procesos de fusión tienen una barrera energética muy difícil de salvar para producirlos por esa vía. Todo lo anterior podemos resumirlo con palabras de Carl Sagan: “Hemos empezado a contemplar nuestros orígenes: sustancia estelar que medita sobre las estrellas... Debemos nuestra obligación de sobrevivir no sólo a nosotros sino también a este Cosmos, antiguo y vasto, del cual procedemos”. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo III: Los elementos químicos • fascículo 6


Concepto de elemento químico a través de la historia El desarrollo del concepto de elemento químico está íntimamente relacionado con la evolución histórica de la química. En un principio las ideas fueron meras especulaciones filosóficas, destacando el paradigma de los cuatro elementos: aire, agua, tierra y fuego. Fue Lavoisier quien dio un carácter experimental al concepto, al destacar al análisis químico como la herramienta necesaria para saber si una sustancia es o no un elemento. Luego Dalton, al plantear su teoría atómica a principios del siglo XIX, se ve en la necesidad de asociar cada elemento a un tipo de átomo. Esta noción es apoyada por Mendeleiev, cuando en el marco de su propuesta de la ley de periodicidad, en 1869, señala que la palabra elemento requiere de la idea de átomo.

En el siglo XX se desentraña la estructura interna del átomo y se define al elemento químico como aquella sustancia que está formada por átomos que, en su núcleo, contienen igual número de protones, denominándose ese número el número atómico (Z). 3 2

He

Neutrón Protón 4 2

He

43

Así, todos los átomos de hidrógeno, estén aislados, posean carga positiva o negativa, o se encuentren enlazados con otros átomos formando un compuesto, siempre tendrán un protón en su núcleo (Z = 1). Si un átomo posee 2 protones se identificará como helio (Z = 2), y si tiene tanto como 92 protones en el núcleo, se le identificará como el elemento uranio (Z = 92).

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Metales, no metales y semimetales El oro es hermosamente brillante; la plata, además de sus codiciadas dotes, es un muy buen conductor de la electricidad; el cobre es un gran amigo de los artesanos, pues es maleable y dúctil; el mercurio, a pesar de ser líquido a presión y temperatura ambiente, tiene un llamativo brillo y una altísima densidad. Por estas razones y otras propiedades a un grupo de elementos se le ha clasificado como metales, que se caracterizan por ser: maleables, o sea fácilmente moldeables al impactarlos con un martillo; dúctiles, pues podemos estirarlos en forma de largos hilos; brillantes porque reflejan la luz que les ilumina; además tienen una alta conductividad eléctrica y térmica, y son, con frecuencia, relativamente densos y poseen altos puntos de fusión.

44

Elementos metálicos: el hierro (Fe) y la plata (Ag).

Por el contrario, elementos como el oxígeno, el fósforo, el yodo, el azufre y el nitrógeno, entre otros, al tener escaso o ningún brillo, ser malos conductores de la electricidad y de la energía térmica, además de tender a no ser maleables ni dúctiles, y a presentar bajas densidades y bajos puntos de fusión, a tal extremo que muchos de ellos se nos presentan en forma gaseosa a temperatura y presión ambiente, deben ser clasificados como no metales.

Elementos no metálicos: el oxígeno (O), el fósforo (P), el yodo (I) y el azufre (S).

Adicionalmente, algunos elementos tienen propiedades que oscilan entre las que caracterizan a los metales y aquellas que les son propias a los no metales, por lo que se les denomina semimetales. Ejemplos de ellos son el germanio (Ge) y el arsénico (As). Elementos semimetálicos: el germanio (Ge) y el arsénico (As). Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo III: Los elementos químicos • fascículo 6


De los 112 elementos que se conocen, menos de una quinta parte son no metálicos. Su química es muy diversa y su abundancia en la corteza terrestre es notable. Algunos de ellos son esenciales para los sistemas biológicos y ciertamente sin su existencia la Tierra sería bien distinta y la vida, tal como la concebimos, imposible. Este grupo incluye, entre otros, a los gases nobles, los halógenos, el hidrógeno, el carbono, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre. La capacidad explosiva del hidrógeno es utilizada como sistema de propulsión.

El carbono es clasificado como un no metal cuando se nos presenta en forma de grafito, el mismo material de la mina de los lápices, y es un buen conductor de la electricidad, de allí que se le haya utilizado en la elaboración de algunas pilas o baterías eléctricas.

Nº atómico

45

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

0

Piensa y resuélvelo La figura representa la gráfica de las abundancias relativas de los elementos del 1 al 36 en el Sistema Solar, en función de sus números atómicos. Se expresan en una escala logarítmica que asigna al silicio (Si) una abundancia relativa de 1,00 x 106. Haciendo uso de la gráfica y de la tabla periódica, responde las siguientes preguntas: ¿Cuál es el metal más abundante? ¿Cuál es el no metal más abundante? ¿Cuál es el semimetal más abundante? ¿Cuál es el elemento de transición más abundante? ¿Cuántos halógenos se consideran en esta gráfica y cuál es el más abundante? ¿Puedes encontrar alguna relación entre la abundancia y el número atómico? ¿Hay alguna diferencia entre los elementos con número atómico par e impar? 2

4

6

Abundancia relativa (log)

8

10

Imágenes de los elementos tomadas de www.element-collection.com

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Venezuela, país rico en minerales Venezuela posee una riqueza mineral extraordinaria, especialmente en hierro y aluminio que son metales de gran importancia para la economía mundial. También posee riquezas significativas en oro, diamantes, níquel, carbón y otros recursos, tal y como se muestra en el cuadro “Recursos minerales de Venezuela”. La mayor parte de las reservas minerales del país se localiza en la región de Guayana. La ubicación de esta riqueza en esa región presenta la doble ventaja de contar con el potencial hidroeléctrico que ofrecen sus ríos y con el río Orinoco que es una vía de comunicación muy conveniente pues facilita el acceso directo al océano Atlántico.

46

Recursos minerales del estado Bolívar

Fuente: Instituto Geográfico de Venezuela Simón Bolívar. 2002.

Metales No metales Fuente: PDVSA (1992) Imagen de Venezuela. Una visión espacial.

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Principales recursos minerales de Venezuela Elementos y/o compuestos químicos Hierro (Fe)

Mena

Magnetita (Fe304 ) Apure, Bolívar, Hematita (Fe203 )

Oro (Au)

Ubicación (estados)

Oro

Miranda y Yaracuy.

Amazonas y Bolívar.

Garnierita

Aluminio (Al)

Bauxita.Mezcla de Bolívar. óxidos de aluminio hidratados de composición no definida. Carbón Carbono

Sulfuros masivos ricos en

En la fabricación de cubiertos, cacerolas, sartenes. Herramientas de corte de alta velocidad, electroimanes, taladros para rocas. Tuberías, cabillas, materiales de construcción, etc. Como suplemento alimenticio. Pigmentos para pinturas. En joyería y odontología.

Aragua, Fabricación de tuberías, chapas, monedas Carabobo, Falcón, y piezas de automóviles. SiO3(Ni,Mg). n H2O Guárico, Nueva Esparta y Yaracuy.

Níquel (Ni)

Carbono (C)

Algunos usos

Anzoátegui, Falcón, Guárico, Lara, Mérida, Táchira y Zulia.

Abrasivos, ladrillos refractarios y recubrimiento de hornos, zafiros y rubíes sintéticos, fabricación de papel, purificación de agua, catalizadores en reacciones orgánicas, antitranspirantes. Combustible, agente reductor, síntesis del metanol (CH3OH). Electrodos.

Calcopirita (CuFeS2)

Aragua, Carabobo, Vidrio de plomo, cátodo en acumuladores de Guárico, Mérida, plomo, pigmentos para pintar aceros Sucre, Táchira, estructurales. Yaracuy y Zulia.

Sulfatos

Yeso (CaSO4)2 + H2O

Sucre, Táchira y Yaracuy.

Carbonatos

Calcita (CaCO3)

Aragua, Carabobo, Recubrimiento y carga para papel, antiácidos Cojedes, Distrito y dentífricos. Capital, Falcón, Guárico, Miranda, Táchira, Trujillo y Yaracuy

Colofana Ca3(CO4)2 + H2O

Falcón, Mérida, Táchira, Yaracuy y Zulia.

Plomo (Pb) Cobre (Cu)

Galena (PbS)

47

Tableros. Cemento Portland.

Fertilizantes, aditivos para detergentes, polvos para hornear.

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Nombres y símbolos de los elementos químicos ¿Alguna vez has escuchado hablar en un idioma que no comprendes? Lo más probable es que pienses que son sonidos sin ningún significado, pero las personas que lo hablan se entienden perfectamente. El lenguaje que los químicos utilizan se parece a un idioma extranjero, pero si lo conoces puedes traducirlo al español. El lenguaje de la química incluye símbolos y ecuaciones, así como nombres de elementos y compuestos. Por eso las reglas IUPAC (International Union of Pure Applied Chemistry) y un poco de historia acerca de los nombres y símbolos de los elementos, serán las herramientas que necesites para comunicarte en el lenguaje de la química. Antigüedad. La humanidad conocía siete cuerpos celestes que asociaba a los siete días de la semana y a los siete metales conocidos. Para esta asociación entre cuerpos celestes y metales se utilizaba como criterio el color: el oro se relacionaba con el amarillo de la corona solar, la plata blanca con la Luna, y el hierro (el óxido, realmente) con el rojo de Marte. De éstos, sólo el mercurio conserva la nomenclatura originaria. 1783. Guyton de Morveau, Lavoisier, Berthollet y Fourcroy publican ”El Método de Nomenclatura Química”. Ellos toman como base los nombres de las que para ese entonces se consideraban 30 “sustancias simples”. Allí, sustancias familiares como el cobre y el azufre conservan sus nombres antiguos, y a las descubiertas en esa época se les asignó una nomenclatura acorde con sus propiedades características. Así tenemos el oxígeno, por generador de ácidos, pues pensaban que estos últimos siempre contenían dicho elemento; hidrógeno, por generador de agua, mientras que al nitrógeno lo denominaban ázoe que significa “no apto para la vida animal”.

48 1808. Dalton, al proponer su teoría atómica, sintió la necesidad de asociar cada elemento con un símbolo que representara al átomo correspondiente.

1818. El químico sueco Jöns Jacob Berzelius publica, en Estocolmo, una obra que propuso la notación que aún hoy se utiliza, al sustituir los círculos y puntos de los símbolos de Dalton por letras, tomando como base la inicial o las dos primeras letras del nombre del elemento escrito en latín.

1976. La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) propuso una nomenclatura sistemática para evitar los diversos nombres que sugerían los científicos creadores de los elementos artificiales transférmicos (Z > 100). De esta forma, por ejemplo, el elemento de número atómico 104 se llamaría “Unnilquadio” (un = 1; nil = 0, quad = 4 y la terminación –io por ser un metal).

1996. La IUPAC aprobó utilizar los nombres que los creadores de los elementos propusieran. Así, al elemento 104 se le conoce como rutherfordio (Rf) en honor a Rutherford; el 105 dubnio (Db) por los laboratorios de Dubna donde se han obtenido varios de estos elementos; el 106 lleva el nombre de seaborgio (Sg) por Seaborg, creador de elementos artificiales; el 107 se llama bohrio (Bh) para recordar a Neils Bohr, uno de los artífices de la teoría atómica moderna; el 108 hassio (Hs) por Hessen, denominación latina de la región de Alemania donde está el acelerador en el que han creado los elementos más pesados y, finalmente, el 109 meitnerio (Mt) en honor de Lise Meitner, coautora del descubrimiento de la fisión nuclear. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo III: Los elementos químicos • fascículo 6


El mundo de la química

Capítulo III: Los elementos químicos

La tabla periódica La tabla periódica es uno de los símbolos emblemáticos de la ciencia, ya que resume buena parte de nuestros conocimientos sobre química. Los ladrillos que permitieron la construcción de la tabla periódica son los elementos químicos.

Fascículo 7


Desarrollo histórico de la tabla periódica Las ideas fundamentales Muchos intentos se hicieron a lo largo de casi un siglo para organizar los elementos químicos. Siempre se trató de ordenarlos siguiendo los posibles nexos entre sus propiedades físicas y químicas. Así, por ejemplo, Döbereiner encontró que el cloro, el bromo y el yodo eran similares en cuanto a su reactividad y este hecho le permitió agruparlos en una misma familia: las llamadas Tríadas de Döbereiner. Con el tiempo, se fueron estableciendo las masas relativas de los elementos. Ello ayudó a Mendeleiev a concebir una idea que sistematizaría la forma de clasificar los elementos al proponer que existía una relación entre sus masas atómicas y sus propiedades. Así, el gran científico ruso organizó los elementos en el orden creciente de sus masas atómicas, encontrando propiedades análogas cada cierto número de elementos, es decir que las propiedades se repetían con alguna periodicidad. Años después, al desentrañarse la estructura de los átomos se encontró que las propiedades de los elementos son realmente una función periódica del número atómico, o sea, del número de protones que posee cada átomo en su núcleo, lo que a su vez implica la forma como se distribuyen sus electrones en los diferentes niveles de energía. Salvo éste y otros pequeños cambios, la idea primigenia de Mendeleiev permanece incólume en el tiempo.

50

Un poco de historia Dimitri Ivanovitch Mendeleiev nació el 1º de febrero de 1834 en Tobolsk, Siberia, Rusia. Era el último de los diecisiete hijos del director de la escuela local. Se educó en San Petersburgo, y tal vez a causa del ambiente en el que transcurrió su juventud, era un hombre inclinado a la meditación. A causa de una enfermedad se fue a Crimea y obtuvo un puesto de profesor de ciencias. La guerra lo obligó a volver a la capital rusa. Tenía 31 años cuando fue nombrado profesor en la Universidad de San Petersburgo. Escribió libros y ensayos relacionados con el concepto de la periodicidad química. También se dedicó al estudio de los recursos naturales de Rusia y sus aplicaciones comerciales. Principalmente se interesó por el petróleo. Mendeleiev murió en 1907.

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La tabla periódica a través de su historia El descubrimiento del sistema periódico no es fruto de un momento de inspiración de un individuo, sino que culmina con una serie de desarrollos científicos. 1817. Johann Döbereiner estableció la Ley de las Tríadas, que señala que los pesos atómicos de los elementos de características similares siguen una progresión aproximadamente aritmética. 1864-1866. En 1864 Newlands, químico inglés, anunció la Ley de las octavas utilizando como símil la escala musical: de acuerdo con esta clasificación las propiedades de los elementos se repiten de ocho en ocho. Pero esta ley no pudo aplicarse a los elementos más allá del calcio. La clasificación fue por lo tanto insuficiente, pero la tabla periódica comenzó a ser diseñada. 1868. D.I. Mendeleiev publicó su primer ensayo sobre el sistema periódico en función creciente de sus pesos atómicos, cuando se conocían 60 elementos. 1869. El 17 de febrero de 1869 nace la tabla periódica Moderna de Mendeleiev. 1870. Ese año se publicó una versión de la tabla periódica ideada por el químico alemán Lothar Meyer que era muy parecida a la de Mendeleiev, sin embargo el químico alemán la creó sin conocer el trabajo de Mendeleiev.

Johann Döbereiner

John A.R. Newlands

Dimitri Mendeleiev

51

1894. William Ramsay descubrió el argón, no predicho por Mendeleiev. 1914. Moseley ordenó los elementos de acuerdo con el número atómico.

Lothar Meyer

William Ramsay

Subnivel s 1-2 *[ns ] Masa atómica

Metales alcalinos 1,008

*[1s]

1

2,1

±1

H

-259,2

0,37

2 *[2s 2p]

3 9,01

1,0

1 1,5

Li

180,5

1,34 1277

Litio

3 *[3s 3p]

0,9 97,8

Na

Sodio

4 *[4s 3d 4p]

0,8

K

97,8

*[5s 4d 5p]

38,9

Rb

*[6s (4f) 5d 6p]

28,7

0,8 27

Mg

3

4

20 44,96

21 47,90

1 1,0

2 1,3

3 1,5

Ca

Sc

1,97 1539

Calcio

Escandio

39 91,22

2 1,2

3 1,4

Estroncio

Ba

1 0,9

Itrio

2 1,1

La

2,22 920

Ra

2 1,1

Radio

Zr

3 1,3

3

Ac 1,878

Actinio

Nb

Mo

Manganeso

1,39 21,40

7 2,2

Tc

2,3,4,5,6 1,9

W

1,46 3410

Tantalio

74 186,20

1,39 3180

Wolframio

105 263,12

Re

1,34 1966

Rutenio

2,4,6,7 2,2

Co

Osmio 107 265

Ha***

Sg Unh

Uns

Uno

Hahnio

Seaborgio

Bohrio

Hassio

Hs

1,37 960,8

Ir

Pt

1,36 1769

Ag

1,44 320,9

Plata

14 30,97

3 1,8

4 2,1

Si

1,43 1410

Silicio

P

32 74,92

3 1,8

4 2,1

Ga

1,41 937,4

Galio 2 1,7

Cadmio

1,66 231,9

Indio

50 121,76

Sn

2,4 1,9 1,62 630,5

Estaño

82 208,98

83 210,00

84 210,00

2,4 2,4

1,3 1,9

1,2 1,8

1,3 1,9

2,4 1,9

3,5 2,0

4,6 2,0

Oro

110

Hg

Tl

1,57 303

Mercurio 111

1,71 327,4

Talio

Pb

Bi

1,75 271,3

Plomo

1,70 254

Bismuto

Uun

Kriptón

±1,3,5,7 -

Polonio

54

Xe

1,33 -111,9

0 2,09

Xenón 85 222 - -

At

1,76 302

0 1,89

Rn

-71

Astato

86 0 2,14

Radón

112

Mt Uuu

Metales

Uub

Meitnerio Ununnilio Unununio

Po

Kr

1,14 -157,3

Yodo

81 207,19

1,44 -38,4

36

53 131,30

I

1,60 113,7

80 204,37

Au

Argón

Bromo

±2,4,6 2,5

79 200,59

Platino

Une

Br

1,40 -7,2

Teluro

0 1,74

35 83,80 ±1,3,5,7 -

52 126,90

Te

1,38 449,5

18

Ar

0,99 -189,4

Cloro

±2,4,6 2,8

Selenio

±3,5 2,1

Antimonio

Cl

1,02 -101,0

51 127,60

Sb

Neón

34 79,91

Se

1,39 217

0 1,31

17 35,95 ±1,3,5,7 -

Azufre

±3,5 2,4

Germanio Arsénico 3 1,8

Flúor

±2,4,6 3,0

33 78,96

As

1,37 817

49 118,69

In

1,54 156,6

Ge

S

Ne

0,72 -248,6

16 35,45

1,28 119

Fósforo

31 72,59

2 1,6 1,38 29,8

Oxígeno

±3,5 2,5

10

-1 -

F

0,73 -219,6

15 32,06

1,32 44,2

9 20,18

-2 4,0

O

0,92 -218,8

0 0,93

Helio

8 18,99

±3,1,2,4,5 3,5

N

Carbono Nitrógeno

48 114,82

Cd

±4,2 3,0

-269,7 He

17

7 15,99

0,91 -218,8

30 69,72

Zinc 1 1,7

16

13 28,08

Aluminio

47 112,40

15

2

-

Halógenos

78 196,97

1,38 1063

109

Zn

1,28 419,5

Cobre

Paladio

Iridio

Rf**

Pd

2,3,4,6 2,2

Cu

46 107,87 2,4 1,9

77 195,09

108 266

Una Rutherfordio

Bh

1,34 1552

Rodio

1,35 2454

1,24 1083

Níquel

2,3,4,6 2,2

76 192,20

Os

Ni

1,25 1453

45 106,40

Rh

2,3,4,6,8 2,2

1,37 3000

Renio

106 262,12

29 65,37 1,2 1,6

Cobalto

75 190,20

12

28 63,54 2,3 1,9

44 102,91

Ru

11

27 58,71 2,3 1,8

2,3,4,6,8 2,2

1,36 2500

10

26 58,93

Hierro

43 101,07

660

2,3 1,8 1,26 1495

Al

2

C

0,98 3727

Boro

ns ]

9

Fe

1,26 1536

Molibdeno Tecnecio

2,3,4,5 1,7

104 261,12

Mn

42 97,00 2,3,4,5,6 1,9

73 183,85

Ta

1,58 2996

8 25 55,85

2,3,4,6,7 1,8

1,27 1245

Cromo

1,46 2610

Niobio

2,3,4 1,53

Hafnio

89 261,11

Cr

41 95,94 2,3,4,5 1,8

72 180,95

Hf

1,87 2222

2,3,4,5,6 1,5

1,34 1875

Vanadio

1,60 2468

7 24 54,94

2,3,4,5 1,6

40 92,91 2,3,4 1,6

Circonio

Lantano

V

1,47 1900

57 178,49

88 227,00

1,4 700

Ti

1,80 1852

56 138,91

Bario

1,76 700

Y

2,15 1509

6 23 51,99

2,3,4 1,6

Titanio

38 88,91

1 1,0

Sr

5 22 50,94

1,62 1668

37 87,62

2,67 714

Francio

Metaloides

1-10

87 226,00

Fr

Gases

Subnivel d • elementos de transición * [(n-1)d

1,60

19 40,08

Cesio

7

Líquidos

Chalcógenos

6 14,01

3 2,5

B

1,5

1 0,9

223,00

*[7s (5f) 6d]

Sólidos

Pricógenos

14 5 12,01

2030

26,98

55 137,34

Cs

2,0

12

2,48 768

Rubidio 0,86

2 1,12

1,2

2,35 838

132,91

6

Be

4,00

Familia del carbono

13

1 1,2

Potasio 0,8

18 Familia del boro

Radio atómico (Å) o Radio covalente (Å) o Radio iónico (Å)

10,81

Magnesio

85,47

5

0,37

11 24,31

1,90 650

39,10

H

Gases nobles

Número de oxidación (Valencia)

4

Berilio

22,99

±1

Hidrógeno

2

Hidrógeno 6,94

-259,2

Punto de fusión (ºC)

Metales alcalinotérreos

Subnivel p (excepto el Helio) 2 1-6 *[ns p ]

Número atómico

1

2,1

Electronegatividad

1 1

1,008

Henry Moseley

No metales

Ununbio

* Configuración electrónica general 1-14

** Rf(z=104) también llamado Kurchutovio (Ku)

Subnivel f • elementos de transición interna * [(n-2)f

1-10

(n-1)d

1-2

ns ]

*** Ha(z=105) también llamado Dubnio (Db)

Tierras Raras I Lantánidos 1-14 1-10 2 [Serie 4f] *[4f 5d 6s ]

140,12

58 140,91

59 144,24

1,1

3,4 1,1

3,4 1,2

Ce

795

Cerio 232,04

Tierras Raras II Actínidos 1-14 1-10 2 [Serie 5f] *[5f 6d 7s ]

1,3 1750

Th

Torio

Pr

1,81 935

1,82 1024

60 147,00

Nd

3 1,82 1027

61 150,35

Pm

3 1,1 1,83 1070

Praseodimio Neodimio Promecio 90 231,00 3 1,5 1,82 1230

Pa

91 238,03 5 1,7 1,63 1132

Protactinio

92 237,05

U

3,4,5,6 1,3 1,56 637

Uranio

Np

Sm

63 157,25

2,3 1,0

2,3 1,1

1,66 826

Samario

93 242,00 3,4,5,6 1,2 1,56 640

Neptunio

62 151,96

Pu

Eu

2,04 1312

Europio

94 243,00 3,4,5,6 1,63 -

Plutonio

Gd

3,4,5,6 1,06 -

Americio

3 1,2 1,79 1356

Gadolinio

95 247,00

Am

64 158,93

Cm Curio

Tb

65 162,50 3,4 1,1 1,77 1407

Terbio

96 247,00 3 - -

Bk

66 164,93

Dy

3 1,2 1,77 1461

Disprosio 97 251,0 3, 4 -

Berkelio

- -

Cf

3 1,2

3 - -

68 168,93

Er

1,76 1497

Holmio

98 254,00

3 1,2 1,75 1545

Erbio 99 257,00

Es

Californio Einstenio

Preparada por el equipo de “El mundo de la química” de Fundación Polar. Diagramado y realizado por Rogelio Chovet Valores comparados con McGraw-Hill Interamericana de España. http://www.mcgraw-hill.es/bcv/tabla_periodica/mc.html

Ho

67 167,26

- - -

Tm

69 173,04

70 174,97

2,3 1,1

2,3 1,2

1,74 824

Tulio 100 258,00

Fm Fermio

- - -

Md

Yb

1,92 1652

Iterbio 101 259,00 - - -

71

Lu

3 1,74

Lutecio 102 262,00

No

Mendelevio Nobelio

- - -

103

Lr

-

Laurencio


Orden en el caos: se organizan los elementos en la tabla periódica Para principios del siglo XIX se conocían un poco más de 60 elementos pero no habían podido ser ordenados siguiendo algún patrón. Es por ello que se dice: “la tabla periódica puso orden en el caos que existía” dado que, con los aportes de Mendeleiev y otros investigadores organizaron los elementos en grupos y períodos.

Z 1 2 3 4 5 6 7

La estructura general de la tabla periódica indica que en los grupos (columnas verticales) se encuentran los elementos con propiedades químicas similares, ya que contienen el mismo número de electrones en su nivel energético más externo. Según la nomenclatura actual, la tabla periódica tiene 18 grupos. En los períodos (filas horizontales) el número atómico varía de uno en uno desde los metales, pasando por los semimetales, hasta culminar en los no metales. La tabla periódica se divide en 7 períodos. Se puede decir, entonces, que los elementos constituyen las letras del alfabeto de la química, ya que permiten escribir las fórmulas de los compuestos químicos para luego nombrarlos haciendo uso de reglas sistemáticas. Esta organización es la que hace posible que la tabla periódica funcione como una herramienta imprescindible para el manejo de la química.

52

Algo más sobre la tabla periódica Desde que Dimitri Ivanovitch Mendeleiev publicó su primera tabla periódica en 1869, se han editado más de setecientas representaciones gráficas hasta la fecha. Cada representación tiene sus ventajas y sus desventajas y la búsqueda de una tabla periódica “ideal” continúa aún hoy día. Sin embargo, esta búsqueda no ha sido muy exitosa ya que la tabla periódica larga ha prevalecido a lo largo del tiempo.

Tabla periódica de Theodor Benfey

Algunos de estos intentos de tablas periódicas los constituyen la corta, o de Hubbard, diseñada en 1924, que tiene la ventaja de integrar los elementos de transición en un mismo grupo y subdividirlos en familias A y B. Es muy llamativa por su colorido, además de que muestra información diversa para cada elemento. Otra es la tabla periódica en espiral que presenta una estructura de capas. Las columnas corresponden a los grupos o familias de elementos y las filas o períodos con las múltiples capas de la tabla tridimensional. Esta versión tiene la ventaja de poner de relieve el crecimiento regular y la simetría del tamaño de los períodos.

Tabla periódica de Timmothy Stowe

Tablas periódicas alternativas

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Organización de los elementos en la tabla periódica Metales alcalinos (Grupo 1)

Li = Litio Na = Sodio K = Potasio

Rb = Rubidio Cs = Cesio Fr = Francio

Todos tienen un solo electrón en su último nivel de energía. Al reaccionar con el agua forman soluciones alcalinas o básicas, de allí su nombre. La sal que usas en los alimentos contiene sodio, el más común de los elementos de este grupo. El potasio es un ingrediente importante de los fertilizantes de las plantas. El litio es usado por los médicos para tratar enfermedades depresivas. El litio también se mezcla con el aluminio para fabricar una aleación liviana, pero fuerte, usada en los aviones.

Metales alcalino-térreos (Grupo 2)

Be = Berilio Sr = Estroncio Mg = Magnesio Ba = Bario Ca = Calcio Ra = Radio

53

Cables de cobre

Son utilizados en la construcción de diversos objetos de nuestra vida cotidiana: el cobre de los cables de electricidad; el hierro que, junto a otros elementos, constituye al acero de diversos utensilios; el mercurio de los termómetros; la plata y el oro usados en joyerías. La mayoría de sus compuestos son coloreados.

Bloque de aluminio para motor

Grupo 13

B = Boro Al = Aluminio Ga = Galio

Quema de una cinta de magnesio

Contienen 2 electrones en el último nivel que, en condiciones apropiadas, pueden ceder o compartir con otros elementos. De allí que en la naturaleza se nos presenten en forma de iones con 2 cargas positivas. Los más comunes son el calcio y el magnesio que, por encontrarse en muchos minerales, son disueltos por los ríos y lagos, siendo, por ejemplo, la concentración de sus iones (Ca2+ y Mg2+) lo que se denomina dureza del agua. El calcio es muy común en nuestras vidas ya que se encuentra, por ejemplo, en la leche, en los huesos y en la tiza.

Metales de transición (Grupos 3 al 12)

Sc, Y, La, Ac, Ti, Zr, Hf, Rf, V, Nb, Ta, Db, Cr, Mo, W, Sg, Mn, Tc, Re, Bh, Fe, Ru, Os, Hs, Co, Rh, Ir, Mt, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg.

Reacción del sodio con el agua

In = Indio Tl = Talio

De este grupo forman parte elementos de tipo no metálico, semimetálico y metálico. Tienen puntos de fusión relativamente bajos y son muy útiles en diversos tipos de aleaciones y materiales semiconductores. El aluminio (Al) es muy versátil como material de construcción debido a que es muy liviano y no se corroe fácilmente, por lo cual se utiliza, por ejemplo, en los marcos de las ventanas de vidrio, puertas para duchas y en la construcción de aviones. Es uno de los principales recursos naturales de Venezuela.

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Organización de los elementos en la tabla periódica Piedra de carbonato de silicio

Grupo 14

C = Carbono Sn = Estaño Si = Silicio Pb = Plomo Ge = Germanio

Este grupo está conformado por elementos no metálicos (C y Si), semimetálicos (Ge) y metálicos (Sn, Pb). Entre ellos destacan el silicio por su abundancia en la corteza terrestre en forma de sílice y silicatos y el carbono por su relación con la vida y sus componentes. El carbono es la base de toda una especialidad: la química orgánica.

Nitrógeno líquido

Grupo 15 Aquí destacan el nitrógeno, el gas más abundante en el aire y de gran versatilidad química, y el fósforo, constituyente de los huesos y del ATP, molécula fundamental en los procesos energéticos de los organismos vivos.

54 N = Nitrógeno P = Fósforo As = Arsénico

Sb = Antimonio Bi = Bismuto

Emanación volcánica sulfurosa

Grupo 16

O = Oxígeno S = Azufre Se = Selenio

Te = Telurio Po = Polonio

Está liderado por el oxígeno que respiramos (O2), el cual también se presenta en forma de ozono (O3) que protege a la Tierra de las radiaciones de alta energía. Otro elemento, el azufre, es básico para la formación del ácido sulfúrico, uno de los compuestos químicos de mayor producción mundial anual, además de ser constituyente de aminoácidos.

Cloro

Grupo 17

F = Flúor Cl = Cloro Br = Bromo

I = Iodo At = Astatino

Ha conservado su nombre primigenio: los halógenos. Son los típicos no metales que tienden a formar iones negativos (F-, Cl-, ...), pues, al contrario de los metales, les es fácil capturar electrones. Aquí podríamos destacar al flúor, tan importante para preservar en buen estado nuestra dentadura; al cloro, uno de los elementos de mayor producción y uso industrial, y al yodo, el cual tiene, entre otros, múltiples usos en el campo de los productos farmacéuticos.

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Globo de helio

Gases nobles (Grupo 18)

He = Helio Ne = Neón Ar = Argón

Kr = Kriptón Xe = Xenón Rn = Radón

Se llaman gases nobles porque sus átomos al tener completamente llena la última capa de electrones, tienen poca tendencia a formar compuestos. Efectivamente, el número de compuestos formados por estos elementos, en relación a los demás de cada período, es bastante limitado. Aquí podríamos mencionar al helio que, por su escasa densidad y gran estabilidad, permite que los globos se eleven.

Interesante: Las tierras raras Átomo de lantano

El descubrimiento de los lantánidos fue tortuoso: las cantidades en que aparecían en las muestras sometidas a análisis, eran pequeñas, por lo que se les denominó tierras raras; también eran muy difíciles de separar y como tienen ciertas propiedades químicas semejantes entre sí, algunos químicos llegaron a sugerir que se les ubicara a todos en una sola casilla, lo que rompía con una norma básica del sistema de clasificación: una casilla para cada elemento. Así que se resolvió sacarlos de la tabla y colocarlos más abajo en filas anexas. La primera es la serie de los lantánidos que comprende los elementos del lantano al lutecio.

55

Lutecio. Fuente: www.theodoregray.com

En 1944, Glenn Seaborg (Premio Nobel de Química en 1951), a la derecha, señaló que publicaría una tabla periódica en la que propondría una nueva serie de elementos. Algunos de sus colegas y amigos, según sus propias palabras, le advirtieron: “No lo hagas, arruinarás tu reputación científica”. Para, luego, el gran científico agregar: “Yo tenía una gran ventaja: no gozaba de ninguna reputación científica para aquel entonces, así que seguí adelante y la publiqué”. Así nació la serie de los actínidos. La segunda fila al final de la tabla periódica corresponde a la serie de los actínidos. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo III: Los elementos químicos • fascículo 7


Apoyo didáctico Afiches (posters) atómicos El profesor asigna al azar a los estudiantes un elemento químico para crear un “slogan”, una frase o una oración donde utiliza el nombre del elemento para sustituir el número atómico de éste. Por ejemplo: Es necesario tener ARGÓN para poder obtener una licencia de conducir. Esto significa que, de acuerdo con la Ley, debes tener 18 años cumplidos para sacar tu licencia de conducir. El “slogan” es colocado en un afiche pequeño (dimensión 100 x 60 cm) junto con el símbolo del elemento, peso atómico y número atómico. Adicionalmente, el alumno escribe dos o tres párrafos de información acerca de los usos del elemento y cómo escogiste el “slogan”.

56

Es hora de ser creativo ¿Serías capaz de construir un reloj con los símbolos de los elementos químicos? ¿Cómo lo harías? Aquí te damos algunas ideas: •

Piensa en las horas del 1 al 12. En química, ¿a cuáles elementos corresponden los números de las horas?

Usa la tabla periódica para encontrar los símbolos correspondientes a esos números.

Con esta información diseña un reloj de los elementos químicos para tu salón de clase.

Piensa ahora en la hora militar, ¿cuáles elementos cambian? ¿Podrías diseñar un reloj incluyendo ambas formas de expresar la hora?

Realízalo y preséntalo a tu profesor. Recuerda ser creativo, usa tus conocimientos.

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El mundo de la química

Capítulo III: Los elementos químicos Propiedades periódicas La ley periódica moderna se basa en la teoría atómica. Esta teoría propone que las propiedades de los elementos constituyen una función periódica de sus números atómicos. El diagrama muestra cómo diferentes conceptos y propiedades de los átomos están íntimamente relacionados con la periodicidad química.

Periodicidad química

Tabla periódica

Confifuraciones electrónicas

Tendencias periódicas

Tamaño atómico

Tamaño iónico

Energía de ionización

Afinidad electrónica

Fascículo 8


Comportamiento de los elementos: propiedades periódicas Para tener una idea de la regularidad con la que varían o se repiten las propiedades periódicas debemos considerar: el número de protones existentes en el núcleo de cada átomo (número atómico) y, como contraparte, la distribución en niveles de energía de los electrones que se mueven en torno al núcleo. Estas partículas (protones y electrones), por estar cargadas eléctricamente, interaccionan unas con otras.

Radio atómico de cada elemento en angstroms (Å).

Algunas propiedades periódicas importantes de estudiar son: radio atómico, potencial de ionización y afinidad electrónica, entre otras. A través de estas propiedades podemos determinar el tamaño atómico, el volumen atómico, la capacidad para formar enlaces iónicos o covalentes en función de la electronegatividad de los elementos o la capacidad de ceder o aceptar electrones. Esto lo veremos en el fascículo relativo al enlace químico.

58

Al recorrer un grupo de elementos químicos en la tabla periódica, de arriba hacia abajo, los átomos tienden a agrandarse ya que los electrones más externos ocupan niveles energéticos más alejados del núcleo.

6

C 14

Si 32

Ge 50

En cambio, al desplazarnos de izquierda a derecha en un mismo período de la tabla, no aumenta el número de niveles electrónicos pero sí el número de protones y electrones, por lo que al aumentar la carga eléctrica la fuerza de atracción se intensifica dando como resultado una tendencia a que el tamaño de los átomos disminuya.

Sn 82

Aumento del radio atómico

Zef = Carga nuclear efectiva I = Potencial de ionización A = Afinidad electrónica

Pb Aumento del radio atómico

Otras propiedades periódicas importantes están ligadas a la facilidad con la que un átomo acepta o cede electrones, dado que los enlaces que se forman o se rompen en las reacciones químicas tienen que ver con este comportamiento electrónico.

11

12

13

14

15

16

17

18

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

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Potencial de ionización

Por su parte, como la tendencia de izquierda a derecha en un período es a que los átomos se hagan más pequeños debido a que la fuerza con que son atraídos los electrones es cada vez mayor, la energía de ionización requerida tenderá a incrementarse, lo cual significa que es más difícil que el átomo ceda electrones. En cambio, la tendencia a aceptar electrones disminuye de arriba hacia abajo en un grupo y llega a incrementarse al desplazarnos hacia la derecha en un período. Esta propiedad se denomina afinidad electrónica y es necesario mencionar que en la tendencia expresada anteriormente no se incluye al gas noble respectivo cuyo comportamiento dentro de cada fila es diferente. La razón de ello es que el electrón aceptado no se ubica en el mismo nivel electrónico principal que el resto de los elementos de esa fila. En este mismo sentido cabe destacar que la electronegatividad de cada elemento, definida como la capacidad de un átomo de atraer hacia sí los electrones que pudiese estar compartiendo con otro elemento, tiene tendencias similares a las encontradas para el potencial de ionización o la afinidad electrónica, es decir, sin contar a los gases nobles tiene un máximo para el elemento flúor y un mínimo para el francio.

He

2500

Ne

Primera energía de ionización (KJ/mol)

Al recorrer un grupo de elementos químicos en la tabla periódica, de arriba hacia abajo, los electrones del último nivel estarán atraídos al núcleo por una fuerza eléctrica cada vez menor ya que, progresivamente, se encuentran más alejados del núcleo que los atrae; esto hace que la energía necesaria para arrancar dichos electrones vaya disminuyendo. A esta energía se le denomina energía de ionización.

2000 Ar Kr Xe

1500 P H

Zn

As

Cd

1000 Be 500

Li

Mg

Rb

Na K

0

10

20

Cs

30 Número atómico

40

Estatua de mujer, de la edad de Bronce, del sector Hasanoglan (Anatolia Central actual Turquía), realizada en plata con detalles en oro.

50

59

Un ejercicio creativo Este tipo de ejercicio estimula el interés de los estudiantes por aprender. En este caso particular, los símbolos de los elementos de la tabla periódica. La pregunta podría ser: Escribe tu primer nombre o tu apellido “químicamente”. Cuenta el número de elementos presentes. Si es necesario puedes omitir una o dos letras del nombre. Los mejores resultados podrían ser reconocidos de la siguiente forma: • Mención Honorífica: para aquellos que usen creativamente los símbolos. • Finalistas: aquellos que usen tres (3) o más elementos y donde no se omitan letras del nombre. Ejercicios similares podrían ser: • Escribir los nombres en forma reversible. • Escribirlos usando unidades, por ejemplo: mg, mm, ml. • Utilizar nombres de personajes de la historia relacionados con el tema. • Usar símbolos internacionales: por ejemplo, J para iodo en algunos países de Europa. • Encontrar compuestos en los nombres de los elementos escritos químicamente. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo III: Los elementos químicos • fascículo 8


La síntesis de elementos artificiales Existen elementos tan inestables que llegan a tener una vida de fracciones de segundo antes de desintegrarse. En consecuencia, no se les encuentra en la Tierra, por lo que los científicos han debido sintetizarlos artificialmente utilizando los denominados aceleradores de partículas.

1937

Emilio G. Segrè (1905-1989)

1940

G. Seaborg y su grupo obtuvieron el plutonio (Z = 94) en el acelerador de Berkeley.

1941

1952 Ghiorso, Harvey, Choppin, Thomson y Seaborg obtuvieron el elemento 101, llamado mendelevio en honor a Mendeleiev.

1955

1961 1974

¿Sabías que tu televisor es un acelerador de partículas? Se produce el electrón Lo enfoca

1981 1984

En tu televisor los electrones son acelerados hasta 20 000 voltios

En un Centro de Investigación se aceleran hasta 100 000 000 voltios Desvía su trayectoria

Los laboratorios de Berkeley y Dubna (en la ex-Unión Soviética), crean los elementos del 102 al 106 llamados: nobelio, lawrencio, rutherfordio, dubnio y seaborgio.

Un equipo en Darmstadt, Alemania, reporta la obtención de los elementos 107 (bohrio), 108 (hassio) y 109 (meitnerio).

Laboratorio de Dubna

El mismo grupo en Alemania, reporta los elementos ununilio (110) y unununio (111).

1994

Colisión

Se desplaza en el vacío

e+

G. Seaborg y A. Ghiorso encontraron los elementos einstenio y fermio, en los filtros de un avión que sobrevoló el Pacífico tiempo después de que se hubiera detonado una bomba de hidrógeno en una isla de ese océano.

Seaborg y Ghiorso (1952)

Agasajo por el descubrimiento del mendelevio

Lo acelera

E. McMillan y P. Abelson, en Berkeley (EE.UU.), obtienen el primer elemento transuránico que denominaron neptuno.

Edwin McMillan (1907-1991)

Glen Seaborg (1912-1999)

60

C. Perrier y E. Segré, en Roma (Italia), obtienen el primer elemento artificial: el tecnecio.

1996

Cámara al vacío

Inyección

El laboratorio de Darmstadt informa haber obtenido el unumbio (112).

Colisión

eLaboratorio de Darmstadt en Alemania

Magneto enfocador Magneto desviador de trayectoria Acelerador

Colisión

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Descubriendo los fenómenos radiactivos El físico alemán W. Röentgen descubre los rayos X. Con el tiempo se sabrá que éste no es un fenómeno nuclear, sino que se debe a saltos de electrones de un nivel energético a otro.

1896

Whilhelm Röentgen (1845-1923)

Marie Curie (1867-1934)

1895

En septiembre, en la ciudad de París, Marie Sklodowska, mejor conocida como Marie Curie, siguiendo los consejos de su esposo y tutor Pierre Curie, decidió investigar, para su tesis doctoral, los “rayos de Becquerel”.

Ernest Rutherford reporta la existencia de las radiaciones alfa y beta. Años más tarde se conocerá que están formadas por núcleos de helio (He2+) y electrones (e-) respectivamente.

Becquerel y los esposos Curie reciben el Premio Nobel de Física.

1898

El 18 de julio, Marie y Pierre Curie descubren dos nuevos elementos radiactivos. Los bautizan con el nombre de polonio, en honor a Polonia y al otro lo llaman radio.

1911

61 Marie y Pierre Curie (1859-1906)

Paul Villard demuestra la existencia de las radiaciones gamma constituidas por fotones de alta energía.

1903

Irene Curie (1897-1956) Fréderic Joliot (1900-1958)

Los esposos Irene y Fréderic JoliotCurie, hija y yerno de Marie y Pierre Curie, producen el primer isótopo radiactivo obtenido por medios artificiales.

Henri Becquerel (1852-1908)

1899

1908

Entrega del Premio Nobel (1903)

Becquerel, científico francés, cuando intentó determinar si las sales luminiscentes de uranio emiten rayos X descubrió, por azar, la radiactividad.

1897

1900

Ernest Rutheford (1871-1937)

En los últimos años del siglo XIX se descubre un fenómeno que sacudió los sólidos conocimientos científicos de la época: la radiactividad. Su impacto sería enorme para la comprensión de la estructura y naturaleza de la materia. Su historia es parte importante del mundo de hoy. En este esquema encontrarás algunos datos importantes sobre este fenómeno.

Paul Villard (1860-1934)

Ernest Rutherford recibe el Premio Nobel de Química. Le es otorgado el Premio Nobel de Química a Marie Curie, por el establecimiento de algunas de las propiedades del elemento radio. Medalla del Premio Nobel

1934

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¿Qué es y de dónde viene la radiactividad? La radiactividad es un fenómeno nuclear que depende sólo del elemento en cuanto tal. Es decir, importa poco la temperatura que soporte dicho elemento, ni el compuesto químico al que esté unido, ni si este compuesto se encuentra como sólido, disuelto o en cualquier otro estado. El secreto está en el interior del átomo y, más específicamente, en la constitución de su núcleo. Si un núcleo atómico, en forma espontánea o natural, es radiactivo, podemos concluir que no es estable y que en la búsqueda de una mayor estabilidad emite partículas alfa (α), beta negativa (β), gamma (γ) o de cualquier otro tipo. ¿Qué hace que un núcleo sea o no estable? Ello depende del número y de la forma como estén organizados sus nucleones, o sea, sus protones y neutrones. Los protones, por tener carga positiva, se repelen eléctricamente. Cabría preguntarse: ¿cómo se mantienen unidos en el núcleo?

¿Sabías que...? 62

Marie Sklodowska nació en Varsovia (Polonia) en 1867; su padre fue un profesor de física con quien ella realizó sus primeras investigaciones. Estudió en París y allí conoció a Pierre Curie con quien contrajo nupcias y ambos se dedicaron a investigar sobre la radioactividad. Descubrieron el polonio y el radio. En 1904 recibió el Premio Nobel de Física junto con Becquerel. Tras la muerte de su esposo lo sucedió en la cátedra de física en La Sorbona (París, Francia) siendo la primera mujer en obtener esa distinción. En 1911 recibió el Premio Nobel de Química y en 1919 fue nombrada profesora de radiología en Varsovia. Tuvo una hija, Irene Curie, quien continuó con los experimentos de sus padres. Marie Curie murió en París en 1934, víctima de leucemia. Retrato de Marie Curie. Instituto para la Historia de la Ciencia y la Tecnología Dibner, Cambridge, Massachusetts.

Una visión somera al interior del núcleo Para comprender cómo los protones se mantienen unidos en el núcleo se ha propuesto que debe existir una fuerza nuclear de atracción que se calcula 100 veces más intensa que la eléctrica, por lo que se le denomina fuerza fuerte. Dado que esta fuerza tiene un rango de acción de apenas 10-13 cm, los nucleones, para atraerse, deben estar uno al lado del otro. Así, un núcleo se desintegrará o no si la sumatoria de la fuerza fuerte entre nucleones vecinos logra vencer a la sumatoria de la fuerza eléctrica de repulsión entre los protones, que tiene la ventaja de poseer un intervalo de acción infinito. Ahora bien, se ha encontrado que a los núcleos que tienen un número par de protones o de neutrones es más difícil arrancarle una de estas partículas. Además, los núcleos con un número de protones o neutrones igual a 2, 8, 20, 28, 50, 82 o 126 son muy estables, o sea, no emiten radiaciones y por esta razón se les denomina números mágicos. En consecuencia, se ha llegado a imaginar un modelo en el que los nucleones se encuentran organizados en pares y en niveles de energía, al igual que los electrones en la parte externa del átomo. Así, al llenar uno de estos niveles con los números antes mencionados, el núcleo adquiere una gran estabilidad. Ejemplos de estos isótopos son: el helio (4) (2 protones y 2 neutrones); los isótopos del estaño (50 protones), el calcio (40) (20 protones y 20 neutrones).

U234 Uranio 234

Th230

He4

Torio 230

Electrón

Bi215 Bismuto 215

Po215

Antineutrino

Polonio 215

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Los elementos se transmutan al emitir radiaciones alfa y beta. En otras palabras, se transforman en otros elementos. En los procesos nucleares no se conserva la masa. Así, por ejemplo, la suma de la masa del torio 230 y de la partícula alfa (helio 4) es menor a la masa del uranio 235 que los produce. ¿Qué sucede? El defecto de masa, que aparentemente se pierde, en realidad se ha transformado en energía. Debemos recordar que al plantear su famosa ecuación: E = m c2, Einstein nos dijo hace un siglo (1905) que la materia no es más que energía almacenada.

63 Servicio de radiofísica sanitaria del Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas (IVIC), Altos de Pipe, Venezuela.

¿Sabías que...? Para la producción de los primeros elementos transuránicos, Enrico Fermi (1901-1954), a la izquierda, propuso teóricamente, en 1934, que un núcleo podía capturar un neutrón. Luego, el núcleo resultante, un isótopo inestable del primero, al emitir una radiación beta se convertiría en un nuevo elemento ya que tendría un protón más. Con el tiempo, este método resultó exitoso para crear los elementos del 93 al 100; este último fue bautizado fermio en honor al hombre de tan brillante idea que, por cierto, no fue la única que tuvo. En 1942, junto con sus colaboradores, Fermi diseñó el primer reactor nuclear. Por sus logros, al gran científico italiano le fue otorgado el Premio Nobel de Física en 1938. Pero resulta que la primera aplicación experimental del método ideado por Fermi falló. En Berlín, Lise Meitner, Fritz Strassmann y Otto Hahn bombardearon núcleos de uranio con neutrones y, para su sorpresa, debido al impacto, los núcleos de uranio más bien se rompían en núcleos más pequeños y nuevos neutrones, que a su vez golpeaban y fracturaban otros núcleos de uranio, en una sucesión de rupturas. Habían alcanzado, sin proponérselo, una reacción en cadena, es decir, la fisión nuclear; este es un hermoso ejemplo que ilustra cómo algunos resultados fallidos o errados pueden permitir, paradójicamente, alcanzar luego un gran éxito.

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Cap铆tulo IV:

Precipitaci贸n de ioduro de plomo (PBI2) producto de la reacci贸n entre el ioduro de potasio (KI) y el nitrato de plomo Pb(NO3)2.


Óxidos de hierro. Pirita FeS2, siderita FeCO3 y hematita Fe2O3.

El mundo de la química

Los compuestos químicos Como hemos visto, en la naturaleza apenas existen alrededor de 90 elementos químicos. Si ellos permanecieran aislados unos de los otros, sin combinarse, la naturaleza sería bastante monótona ya que tendríamos un número de materiales verdaderamente limitado. Pero por suerte, sabemos que no es así. Continuamente nuevos compuestos se descubren en su forma natural o se crean de manera artificial en los laboratorios. ¿Cuántos se conocen en la actualidad? Sería temerario decirlo, tal vez se cuenten por centenares de miles, es difícil precisar el número de compuestos conocidos, sin embargo, los que encontramos en la naturaleza o sintetizados son todavía bastante limitados con relación al total que potencialmente podría existir. A estas sustancias las denominamos compuestos por la sencilla razón de estar formadas por elementos en cualquiera de sus formas alotrópicas.

Fascículo 9


Los compuestos químicos Sodio

Cloro

Cada compuesto tiene unas propiedades físicas y químicas definidas que le permiten diferenciarse de los demás. Tales propiedades son, en buena medida, reflejo de su composición elemental. Pero esto no significa que las propiedades de un compuesto sean la simple sumatoria de las propiedades de los elementos que le constituyen. El cloruro de sodio sería un buen ejemplo para desmentirlo. En condiciones ambientales estándar, el sodio (izquierda) es un sólido gris; el cloro (derecha) un gas amarillo-verdoso muy tóxico. Al combinarse ambos producen un sólido blanco, la sal de mesa (centro) por todos conocida.

Cloruro de sodio

Por otra parte, dos compuestos pueden estar formados por los mismos elementos pero dependiendo de la proporción en que se encuentren combinados pueden tener propiedades químicas y físicas bien diferentes. Por ejemplo: el agua y el agua oxigenada son sustancias diferentes debido a la proporción en que se encuentran presentes en ellas los elementos que las componen. Para calmar la sed no tomaríamos agua oxigenada, sustancia muy corrosiva que al intentar ingerirla destrozaría nuestro tracto digestivo, a pesar de que está formada por los elementos hidrógeno y oxígeno al igual que nuestra vital agua.

66

O H

Este ejemplo nos conduce a valorar la importancia de la escritura exacta de las llamadas fórmulas de los compuestos. La fórmula del agua es, como prácticamente todo el mundo sabe, H2O y, en cambio, la del agua oxigenada, cuyo nombre químico formal es peróxido de hidrógeno, es H2O2. Dado que estas fórmulas representan la composición de una molécula del compuesto, por lo que se les conoce como fórmulas moleculares, es posible afirmar que una molécula de agua tiene 2 átomos de hidrógeno por cada átomo de oxígeno, mientras que la molécula de peróxido de hidrógeno tiene 2 átomos de hidrógeno y 2 de oxígeno.

H

Agua H2O

H O H

O

Peróxido de Hidrógeno H2O2

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Muchos compuestos no se presentan comúnmente en la naturaleza como moléculas aisladas sino más bien en estado sólido, como infinitas redes de átomos ionizados. Se les conoce como compuestos iónicos. Su representación molecular se hace a través de fórmulas empíricas, las cuales constituyen la proporción mínima de números enteros en que se combinan los átomos de los diferentes elementos. Por ejemplo, cuando decimos que la fórmula del fluoruro de calcio (fotografía derecha) es CaF2, no estamos pensando en una molécula sino en una red con innumerables iones en la que por cada ión de calcio se encuentran 2 iones de fluoruro. Para los compuestos moleculares en cuya composición se encuentran átomos no del todo ionizados también es posible escribir la fórmula empírica. Es el caso del agua oxigenada cuya fórmula empírica sería HO.

Los nombres de los compuestos Antes de que existiera la idea de socializar de manera reglamentada los nombres de las sustancias, fue apareciendo un alto número de compuestos con nombres usuales o comunes que se aprendían más por la práctica que por sistematización alguna, razón por la cual el nombre trivial no señalaba ninguna característica del compuesto. Algunos ejemplos de estas sustancias son:

Fluoruro (F-) Calcio (Ca++)

67

H2O: agua; NH3: amoníaco; CaO: cal viva; CaSO4 hidratado: yeso. Éstos y muchos nombres de compuestos químicos son aceptados como correctos. También a nivel industrial existen muchos productos químicos cuyo nombre no corresponde a su composición molecular. Por ejemplo: Presentación industrial/compuesto Fórmula Nombre sistemático Ácido muriático

HCl

Ácido clorhídrico, ya que está disuelto en agua.

Vinagre

CH3COOH

Ácido acético

Sosa cáustica

NaOH

Hidróxido de sodio

Potasa cáustica

KOH

Hidróxido de potasio

Importante: Es conveniente diferenciar el HCl(ac) que llamamos ácido clorhídrico, del HCl(g) denominado cloruro de hidrógeno, y tener presente que el vinagre blanco es ácido acético diluido. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo IV: Los compuestos químicos • fascículo 9


Denominando compuestos químicos Actualmente existe la tendencia a adoptar un sistema de nombres que permite caracterizar las propiedades de la sustancia con la mayor precisión posible. Para ello se da un nombre genérico correspondiente a la familia que agrupe al compuesto según su función química. Posteriormente, se especifica qué elemento presenta determinada función e, incluso, el estado de oxidación de éste, lo cual se logra con un manejo de terminaciones y de prefijos, según se requiera. Más recientemente la nomenclatura Stock reglamenta el uso del nombre genérico (óxido, hidróxido, ácido, etc.), seguido del elemento que pertenece a determinada familia. Con un número romano encerrado entre paréntesis se especifica el estado de oxidación. Para simplificar la tarea de asignar nombres a los compuestos es prudente agrupar a las familias según su contenido o no de oxígeno. Con oxígeno: óxidos, hidróxidos, ácidos oxigenados (oxiácidos) y sales oxigenadas (oxisales). Sin oxígeno: hidruros, hidrácidos y haluros o sales haloideas.

68 Oxígeno. Wolff. Artista norteamericano. http://www.primordialist.com

La IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), mediante la comisión encargada de revisar constantemente la nomeclatura, casi todos los años presenta modificaciones tratando de perfeccionar reglas para un mejor uso de la nomenclatura química. Estas reglas se van integrando gradualmente para facilitar su aceptación a un corto plazo.

Ejemplos En un compuesto poliatómico, el grupo electronegativo debe nombrarse usando la terminación "ato" después de la raíz del átomo central. Los ligandos aparecen terminados en "o", señalándose su cantidad con prefijos griegos. Analicemos el caso de Na2CO3. Los iones (CO3)-2 y Na+1 que integran al compuesto se nombran "Tri-oxo-carbonato de sodio". El nombre carbonato se deriva del átomo central de carbono, y trioxo indica la presencia de tres átomos de oxígeno; después de nombrado el anión, señalamos la presencia del sodio. El nombre de carbonato de sodio continúa siendo aceptado.

Tri-oxo-carbonato de sodio

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¿Qué será un vaso de monóxido de dihidrógeno?

Nombres comunes, triviales o vulgares, ¿cuál es la mejor forma de llamarlos? Si quisieras tomarte un vaso de agua en un restaurante, ¿pedirías un vaso de monóxido de dihidrógeno? Lo más probable es que no, sobre todo si tienes mucha sed. El mesonero no entendería lo que le estás pidiendo porque utilizas un nombre que ni siquiera los químicos emplean para nombrar el agua. Aunque el nombre formal de este compuesto es fácil de escribir ya aprendidas las reglas del lenguaje de la química, algunas veces tendrás buenas razones para usar nombres comunes. El nombre que uses dependerá de a quién te dirijas. El nombre químico es monóxido de dihidrógeno porque cada molécula contiene dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno.

Si quieres ser una

Encuentra el error Hace algún tiempo una valla publicitaria hacía énfasis en que para mantenernos sanos debíamos tomar ocho vasos de agua al día. Observa la valla y encuentra el error que allí aparece.

69

Reto Trata de escribir el nombre de K2SO4. Si llegas a una de las dos respuestas que aparecen a continuación, significa que manejas las herramientas básicas de nomenclatura. • Tetra oxo sulfato de potasio (IUPAC). • Sulfato de potasio (lo acepta la IUPAC).

IUPAC: Una organización que supervisa el lenguaje de la química La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC) es una organización no gubernamental (ONG) internacional dedicada al avance de la química. Tiene como miembros a las sociedades nacionales de química adscritas a ella. Es la autoridad reconocida en el desarrollo de estándares para la denominación de los compuestos químicos, mediante su Comité Interdivisional de Nomenclatura y Símbolos (Interdivisional Committee of Nomenclature and Symbols). Es miembro del Consejo Internacional para la Ciencia (ICSU). La IUPAC fue fundada en 1919 por químicos industriales y académicos. Durante casi ocho décadas, esta Unión ha promovido un lenguaje mundial en el área de la química para la unificación de su nomenclatura.

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¡Juntos y separados! Enlace químico Enlace (modelo) covalente Imaginemos dos átomos de hidrógeno que, separados inicialmente por una distancia considerable, comienzan a aproximarse el uno al otro. A medida que disminuye la distancia que los separa, las fuerzas eléctricas de repulsión y de atracción se hacen cada vez más intensas. Las fuerzas de repulsión ocurren entre los dos electrones, por un lado, y entre los dos núcleos, por el otro; mientras que las de atracción ocurren también entre el electrón de cada uno de los átomos y el núcleo del otro y viceversa. ¿Cuál es la distancia límite a la que podrán aproximarse? Se acercarán hasta una distancia promedio a la cual las fuerzas de atracción igualen a las de repulsión. Pero si intentaran acercarse aún más, las fuerzas repulsivas serían mayores y los átomos se apartarían hasta la distancia promedio de máxima estabilidad. De esta forma se habrán combinado estos dos átomos de hidrógeno (H) para formar una molécula que podemos representar mediante la sencilla fórmula H2. El modelo que explica esta unión se denomina modelo de enlace covalente y la compartición de electrones da lugar a la energía de estabilización que hace posible la formación de la molécula.

Átomo de H

Átomo de H

Molécula de H2

Dado que los átomos en una molécula por encima de 0 ºK no permanecen estáticos, es decir, se mueven hacia adelante y hacia atrás, la molécula vibra, pero la distancia internuclear promedio es más o menos constante de una molécula a otra y se le conoce como longitud de enlace.

70

Si se hiciera un análisis de una bombona de hidrógeno se encontraría que prácticamente todos los átomos prefieren organizarse formando moléculas de dos átomos. Cabría preguntarse, ¿por qué no tienden más bien a estar cada uno por su lado como átomos individuales? La respuesta es muy sencilla: el sistema que conforma la molécula es más estable que el de los átomos separados. En otras palabras, los átomos se enlazan buscando construir sistemas más estables, en este caso, moléculas. Si por el contrario analizáramos una bombona contentiva del gas helio encontraríamos que los átomos se encuentran cada uno por su lado. Si a cada una de estas partículas, por existir de manera individual, separadas una de otra, la denomináramos molécula, deberíamos decir que el helio se presenta en forma de moléculas monoatómicas, o sea, formadas por un solo átomo. La pregunta lógica sería, ¿por qué el helio no forma moléculas diatómicas como sí lo hace el hidrógeno? Siendo consistentes con la respuesta anterior tendríamos que aceptar que el átomo de helio es suficientemente estable, por lo que no necesita enlazarse con otro de sus congéneres. ¿Podrías contestar entonces qué tiene el átomo de helio que no tenga el de hidrógeno? Más aún, ¿qué tienen los gases nobles helio, neón, argón, criptón, xenón y radón que no sólo no forman moléculas diatómicas, sino que les cuesta muchísimo enlazarse con los átomos del resto de los elementos, a tal punto de que no fue sino hasta 1962 cuando se pudieron sintetizar los primeros compuestos del xenón y del criptón?

Gandola de transporte de helio (He)

Tubos lumínicos que usan gases nobles

Helio (He)

Neón (Ne)

Argón (Ar)

Kriptón (Kr) Xenón (Xe)

Interesante En el caso de la molécula de H2, la longitud de enlace tiene un valor de 74 pm, donde el símbolo pm corresponde al picómetro, que equivale a 10-12 metros. Si lográramos alinear las moléculas una al lado de la otra, ¿cuántas entrarían en 1 milímetro? Respuesta: (a) 13 513 moléculas. (b) 0,135 moléculas. (c)13,513 x 103 moléculas.

(d) 135 135 135,135 moléculas

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S 0 O 0

Regla del octeto en el SO2

N 0 O Regla del octeto en el NO3

Electrón Electrón compartido

El comportamiento de los gases nobles condujo, en el lapso 1916-1919, a los químicos norteamericanos G.N. Lewis e I. Langmuir, y al alemán W. Kossel a plantear que esos elementos, los gases nobles, tenían una configuración electrónica que les confería estabilidad y por esa razón no se combinaban con otros, mientras que el resto de los elementos químicos formaban enlaces para tratar de adquirir una configuración electrónica igual a la de los gases nobles. Así, en el caso del hidrógeno, al formar un enlace donde comparten entre los dos núcleos un par de electrones, cada átomo adquiere la configuración del helio (2 electrones) en su última y única capa. Para otros átomos, la tendencia, según la propuesta de Lewis-Langmiur-Kossel, mejor conocida como teoría de Lewis, sería enlazarse de tal forma que en su último nivel electrónico tuvieran 8 electrones, como lo indica la distribución electrónica del resto de los gases nobles, a la cual se denominó la regla del octeto.

Para representar estas moléculas se utilizan los denominados diagramas de Lewis. Estos diagramas consisten en el símbolo del elemento que representa el núcleo del átomo y los electrones de los niveles internos, rodeados por puntos que simbolizan los electrones del último nivel o capa de valencia.

Cuando dos átomos comparten dos y tres pares de electrones se habla de enlace doble y triple respectivamente. Existen, además, casos de moléculas que no cumplen con la regla del octeto por presentar, alrededor de algunos de sus átomos, un número de electrones diferente a 8 en el último nivel.

71 Irving Langmuir, físico químico norteamericano (1881-1957). Premio Nobel de Química 1932.

O H

O

H

Un poco de historia Gilbert Newton Lewis nació el 23 de octubre de 1875, en Massachussets, EE.UU. Fue un niño muy precoz pues aprendió a leer a los tres años de edad. Obtuvo sus títulos de licenciatura y doctorado en la Universidad de Harvard, en 1896 y 1899 respectivamente. Fue docente de esta prestigiosa universidad, así como del Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) y, finalmente, de la Universidad de California, en Berkeley, desde 1912 hasta el fin de sus días. De su matrimonio con Mary Hinckley Sheldon nacieron dos hijos varones que con el tiempo serían también profesores de química, además de una hija. En 1916, en su publicación El átomo y la molécula, da a conocer su famosa teoría del enlace covalente, y en 1923 formuló la teoría del par electrónico para explicar las reacciones ácido-base. Durante 25 años determinó las energías libres de varias sustancias, lo que contribuyó a formalizar la termodinámica química. En 1933 fue el primero en obtener agua pesada pura, constituida por el isótopo hidrógeno-2 (deuterio), sustancia que había sido descubierta por Harold Urey, uno de sus más aventajados estudiantes. El 23 de marzo de 1946, a la edad de 70 años, Gilbert Newton Lewis murió de un ataque al corazón mientras trabajaba en su laboratorio en Berkeley. Recibió muchos reconocimientos y honores a lo largo de su carrera científica, pero nunca le fue otorgado el Premio Nobel que, según muchos, tanto mereció. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo IV: Los compuestos químicos • fascículo 9


Enlaces covalentes Los enlaces químicos donde se comparten, genéricamente hablando, pares de electrones se denominan enlaces covalentes. Para que se forme este tipo de enlace es condición que los dos átomos participantes tengan una tendencia similar a ganar electrones (electronegatividad parecida). Sin embargo, no es lo mismo que la molécula esté formada por dos átomos idénticos, como es el caso de las moléculas de O2, N2 y Cl2, a que lo esté por átomos diferentes como ocurre en el enlace del cloruro de hidrógeno (HCl) o del amoníaco NH3. Cuando los átomos pertenecen a un mismo elemento, la carga electrónica estará uniformemente distribuida a lo largo de la molécula, por lo que decimos que estamos en presencia de enlaces covalentes no polares. H

N

El nitrógeno tiene cinco electrones en su capa orbital externa y se enlaza con tres átomos de hidrógeno formando un octeto estable alrededor del átomo de nitrógeno.

Átomo de hidrógeno

Enlace sencillo

Átomo de nitrógeno

H Molécula del amoníaco NH3

H

δ+ 72

δ-

H

En la molécula de HCl encontramos que el átomo de cloro presenta una electronegatividad de 3,0, la cual es superior a la del hidrógeno que tiene un valor de 2,1, por lo tanto, el par de electrones que participa en el enlace tenderá a estar más cerca del núcleo del cloro que del hidrógeno, creándose una polaridad de carga donde los alrededores del átomo del halógeno se comportan como un polo negativo, mientras que en el entorno del átomo de hidrógeno se crea un polo positivo. Estamos, entonces, frente a un enlace covalente polar.

Cl

En las moléculas diatómicas lineales la polaridad viene dada por la separación o no de carga que exista en el único enlace que poseen. La polaridad en moléculas más complejas no sólo depende de la polaridad de sus enlaces, sino también de la forma espacial que las moléculas posean. La polaridad de un enlace se mide mediante una magnitud denominada momento dipolar (µ), que se expresa en unidades de Debye, y depende de la magnitud de las cargas y de las distancias que las separan (longitud de enlace). Al ser ésta una magnitud vectorial, el momento dipolar total de la molécula será la sumatoria vectorial de los momentos dipolares de los diferentes enlaces. Así, la molécula de agua (H2O) y la de amoníaco, al tener forma angular y piramidal respectivamente, consideradas todas las contribuciones de polaridad, resultan ser moléculas polares. En cambio, en el CO2 y en el CCl4 la forma de sus moléculas, lineal y tetraédrica respectivamente, hace que los vectores se anulen dando como resultado moléculas no polares, a pesar de poseer enlaces polares.

O

C

O

Molécula del dióxido de carbono (CO2)

Molécula del agua (H2O)

O H

H

N H

H Molécula del amoníaco (NH3)

H

Cl Cl

C Cl Cl

Molécula del tetracloruro de carbono (CCl4)

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Enlace iónico Si la diferencia de electronegatividad entre los átomos es muy grande, más que compartir electrones, aunque sea con cierta polaridad, lo que ocurre es que el átomo del elemento más electronegativo le quita electrones al que presenta menor electronegatividad. De este modo, estamos en presencia de la formación de iones por lo que el enlace recibe el nombre de iónico. Según el modelo de Lewis, en el caso del NaCl, el sodio, que es mucho menos electronegativo que el cloro, le cede a éste un electrón, quedando ambos con 8 electrones en el último nivel, convertidos en iones (Na+ y Cl-). En el fluoruro de calcio (CaF2) la transferencia del metal al halógeno es de 2 electrones, pero como cada átomo de flúor lo que acepta es un electrón, para llegar a 8 harán falta dos átomos de este elemento por cada átomo de calcio, produciéndose los iones Ca2+ y 2 F-.

NaCl por Dr. Martina Doblin Esta imagen muestra un cristal de sal, formado luego de la evaporación de agua de mar. Se puede notar la forma geométrica del cristal y dentro de ella se ven algunas microburbujas de aire.

El mundo de la química

Capítulo IV: Los compuestos químicos Estos compuestos, clasificados como sales, poseen la particularidad de tener altos puntos de fusión que, en el caso del NaCl, alcanza los 800 ºC. Se les encuentra en estado sólido a presión y temperatura ambiente formando cristales donde los iones se organizan en interesantes formas geométricas, como los cubos del cloruro de sodio, NaCl, que pueden ser observados con una simple lupa, y en las salinas se pueden apreciar extraordinarios cubos. La estabilidad de este tipo de sales no proviene de la formación de pares de iones Na+ y Clsino de un arreglo tridimensional que conforma una red cristalina. Por la rigidez de esta red las sales son más bien quebradizas. Cuando las moléculas de los compuestos covalentes están lo suficientemente juntas, formando líquidos y sólidos, pueden producirse interacciones entre ellas que dan lugar a los llamados enlaces intermoleculares. De esta manera, en un vaso de agua líquida y en el hielo, las moléculas de agua, H2O, se juntan entre sí a través de enlaces de puente de hidrógeno. En sustancias polares como el HCl, sus moléculas de polaridad permanente pueden organizarse de tal forma que el polo positivo de una molécula atraiga al polo negativo de otra molécula vecina. Ello explica que en el HCl y el F2, a pesar de tener masas moleculares comparables, el punto de ebullición del cloruro de hidrógeno HCl sea de 188 ºK y, en cambio, el de F2, por tener moléculas no polares, sólo alcance 85 ºK.

Cristal de fluorita (CaF2)

Salinas en Araya

Fascículo 10


Enlaces intermoleculares En el caso de sustancias moleculares y no polares como el benceno (C6H6), las interacciones intermoleculares que mantienen unida una molécula con otra se explican por la formación de dipolos momentáneos, no permanentes, que persisten sólo fracciones de segundo debido al movimiento constante de electrones y que en algún instante podrían estar más desplazados hacia una zona de la molécula. Esta fuerza es suficiente para mantener juntas a las moléculas vecinas. De allí que el benceno, a presión y temperatura ambiente, al igual que muchos otros hidrocarburos, sea un líquido muy volátil pues las moléculas que lo constituyen escapan con cierta facilidad de las débiles ataduras de sus fuerzas intermoleculares. A estas fuerzas de dipolos inducidos se les conoce como fuerzas de London en honor al científico Fritz London, quien dio una explicación teórica del fenómeno en 1928.

Mar de electrones

74 Cationes ordenados

El enlace de átomos en metales Un ejemplo muy ilustrativo de cómo un modelo de enlace puede explicar importantes propiedades de un material es el denominado modelo del mar de electrones (Mar de Fermi) de una red metálica. Para explicar cómo se mantienen unidos los átomos en los metales se utiliza el modelo del enlace metálico. En este caso, un trozo de un metal es visualizado como una red de iones positivos que deja libres a los electrones de la última capa. Dado que entonces los electrones gozan de una gran movilidad a lo largo de la red, si se coloca una fuente externa en cada extremo del alambre, entrarán y saldrán electrones con gran facilidad, lo que explica la conductividad eléctrica. Además, si una capa de iones metálicos es forzada a atravesar otra capa al ser golpeada la lámina metálica por un martillo, la flexibilidad del mar electrónico le permitirá amoldarse a la nueva situación, explicándose con ello la maleabilidad que caracteriza también a los metales.

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Mezclas y disoluciones ¿Qué tienen en común los aceros, las gasolinas, los vidrios y las aguas minerales envasadas industrialmente? En la elaboración de estos útiles materiales de nuestra cotidianidad son esencialmente importantes las sustancias que se utilizan y las concentraciones en las cuales esas sustancias son añadidas. En la producción del acero se hace necesario reducir la cantidad de carbono del hierro bruto hasta un 1,5% máximo, así como eliminarle, en forma de escoria, impurezas como el silicio y el fósforo. Luego se añaden en determinadas concentraciones los elementos de aleación (Cr, Ni, Mn, V, Mo, W) que le darán al acero las propiedades deseadas.

Las gasolinas poseen diferentes estándares de calidad, como el denominado octanaje. Si contiene principalmente alcanos de cadena lineal (hexano, heptano y octano) la gasolina se quema muy rápido ocasionando detonaciones inconvenientes para el motor. En cambio, si posee una mayor cantidad de alcanos de cadenas ramificadas, la combustión será satisfactoria para el buen funcionamiento del automóvil.

La fabricación de vidrios es un arte milenario. El más antiguo es el llamado vidrio de cal y de sosa que contiene carbonatos de sodio y potasio, y dióxido de silicio, donde por cierto los iones calcio hacen al vidrio insoluble en agua, pudiéndose usar en objetos como vasos y botellas. Si se le agrega Fe2O3 (óxido de hierro), el vidrio adquiere el característico color verde botella, mientras que el óxido de cobalto (CoO) le imprime una coloración azul. Y si por ejemplo se quiere que resista cambios bruscos de temperatura sin resquebrajarse, propiedad muy importante para el instrumental de laboratorio de química, se le añade óxido bórico (B2O3). Por su parte, al agua mineral que nos tomamos, además de que cumpla con las normas bacteriológicas, es necesario que se le controle la concentración de los diferentes iones: Ca2+, Mg2+, Na+, K+, NO3-, SO42- y Cl-, entre otros. De este modo estamos en presencia de cuatro ejemplos de mezclas o disoluciones importantes en nuestras vidas.

Vitral (1954). Biblioteca Central UCV. Fernand Léger, pintor y muralista francés (1881-1955).

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Clasificando mezclas y disoluciones

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Aleación

Composición

Usos

Bronce

Cobre 70-95% Zinc 1-25% Estaño 1-18%

Esculturas Piezas mecánicas

Acero inoxidable

Hierro 73-79% Cromo 14-18% Níquel 7-9%

Utensilios de cocina Piezas mecánicas Cubiertos

Soldadura usada en electrónica

Estaño 63% Plomo 37%

Conexiones eléctricas

Latón

Cobre 50-80% Zinc 20-50%

Adornos Envases para alimentos

Oro blanco 18 kilates

Oro 75% Plata 12,5% Cobre 12,5%

Joyería

Las mezclas y disoluciones se pueden clasificar siguiendo diversos criterios. Según su apariencia óptica, tenemos mezclas heterogéneas que son aquellas formadas por materiales que poseen diferente composición según la zona donde se observe. Un ejemplo muy conocido es el granito de los pisos. En cambio, una mezcla que tiene una composición constante en toda su extensión se le clasifica como mezcla homogénea. Ejemplo: las aleaciones metálicas o una solución como el azúcar en agua. El tamaño de las partículas también nos da diferentes tipos de mezclas. Los átomos y la mayoría de las moléculas e iones tienen tamaños que no exceden a 1 nm (1 nanómetro = 10-9 metros). Ello es lo que caracteriza a disoluciones propiamente dichas como la sal en agua. Pero si las dimensiones de las partículas van entre 1 y 1 000 nm estamos en presencia de coloides.

Una de las propiedades que diferencian las disoluciones verdaderas de las coloidales es la capacidad que poseen estas últimas de dispersar la luz en diferentes direcciones (vaso a la izquierda). Éste es el llamado efecto Tyndall que podemos observar en la dispersión de los rayos del Sol por el polvo suspendido en el aire. Como ejemplos de mezclas coloidales podemos mencionar: • Aerosoles líquidos como la niebla, nubes, rocíos aerosoles. • Aerosoles sólidos como partículas de humo u hollín en el aire, virus en el aire, escapes de automóviles. • Emulsiones, es decir, líquidos dispersos en otros líquidos, como la leche, la mayonesa, crema facial. • Soles, sólidos dispersos en líquidos como las pinturas. • Geles, líquidos dispersos en sólidos como las gelatinas. • Espumas, gases dispersos en líquidos como la espuma de la malta.

Hazlo tú mismo.

Coloides coagulados

Añade dos cucharadas soperas de vinagre o jugo de limón a unos 100 ml de leche completa y a 100 ml de leche descremada. Agita y observa qué sucede. Déjalas reposar por 24 horas a temperatura ambiente. Observa y registra los resultados. ¿Qué ocurrió? ¿Qué ocurrirá si en lugar de añadir vinagre agregas dos cucharadas de sal? ¿Tendrá la sal el mismo efecto sobre la leche que el ácido?

¿Sabías que...? Las partículas de suelo son acarreadas por los ríos en forma de soles hidrofóbicos. Cuando el agua de río, que contiene grandes cantidades de partículas de sedimentos suspendidas, se encuentra con agua de mar, que posee elevadas concentraciones de iones, las partículas se coagulan para formar agregados. Los deltas de los ríos Mississippi, Nilo y Orinoco se formaron de esta manera. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo IV: Los compuestos químicos • fascículo 10


Mezclas y disoluciones iguales o diferentes Mezclas

Métodos de separación de mezclas Heterogénea

Homogénea

Tamización

Centrifugación

Evaporación

Cromatografía

Separar arena y limo

Sólido más líquido

H2O + sal calentar o dejar al aire

Separación de solutos basada en interacciones entre éstos, la fase móvil y la fase estacionaria

Filtración

Decantación

Imantación

Separar líquidos inmiscibles o trasvasar

Separar hierro de otros sólidos

Gravedad

Al vacío

Residuo sobre papel

Presión de H20 para succionar

Destilación

Cristalización

Extracción

Separar dos o más líquidos de diferentes puntos de ebullición

Técnica de purificación basada en solubilidad en solventes fríos y calientes

Separación basada en la polaridad

Aunque con frecuencia utilizamos los términos de manera indiferenciada, en una mezcla heterogénea las sustancias que están en contacto unas con otras sufren interacciones muy pequeñas. Ello ocurre, por ejemplo, si mezclamos harina y azúcar, o en un suelo donde tengamos arena, trocitos de rocas, humus, etc. En cambio, en mezclas homogéneas como una disolución las sustancias constituyentes interactúan entre sí de tal forma que pueden romperse y formarse enlaces entre los constituyentes que las conforman. Veamos. Al añadirle sal común (NaCl) al agua, las moléculas polares del solvente rompen la red cristalina y rodean a los iones sodio (Na+) y a los iones cloruro (Cl-), orientándose de manera diferente en cada caso. Por ejemplo, pueden colocarse los átomos de oxígeno (polo negativo de la molécula de agua) frente a los iones sodio y, los átomos de hidrógeno (polos positivos), hacia los iones cloruro. Así, las cargas opuestas se atraen formándose enlaces entre las partículas, lo que conduce a la disolución de la sal. El azúcar de mesa (sacarosa), por el contrario, no se disocia en iones. Aquí las fuerzas de atracción que mantienen unidas a las moléculas de sacarosa en el cristal son vencidas por las fuerzas que atraen a las moléculas del solvente (agua) y del soluto (el azúcar), formándose enlaces tipo puente de hidrógeno. (Para mayor información revisa el capítulo correspondiente).

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Moléculas de agua

Iones hidratados Ión Na+ Ión Cl-

Proceso de disolución de sal en agua

Cuando una sustancia no es soluble en otra, como el agua y el aceite (imagen a la derecha), lo que ocurre es que la débil fuerza de atracción que pueda existir entre las moléculas de ambos líquidos no compensa las fuerzas de atracción que existen entre las moléculas de agua (que están enlazadas unas con otras mediante puentes de hidrógeno sustancialmente fuertes), ni tampoco la fuerza que atrae entre sí a las moléculas del aceite. De allí que digamos: “lo semejante disuelve lo semejante”. Las moléculas polares del agua disuelven al cristal iónico de la sal y al cristal de las moléculas polares de la sacarosa, mientras que no disuelven a las moléculas no polares del aceite. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo IV: Los compuestos químicos • fascículo 10


Influencia de la temperatura y la presión en la solubilidad 100

En la gráfica se observa cómo varía la solubilidad de diversas sales a medida que aumenta la temperatura.

NaNO3 KNO3

Solubilidad (g/100g H20)

Cuando queremos preparar una limonada es recomendable agregar y disolver el azúcar antes de añadirle el hielo. La razón es muy simple: una baja temperatura no sólo retarda el proceso de disolución sino que disminuye la cantidad de azúcar que pueda disolverse. Hablando de bebidas refrescantes, todos hemos visto cómo una gaseosa caliente burbujea más intensamente que estando fría. En otras palabras, el CO2 (dióxido de carbono contenido en la gaseosa) tiende a disolverse en menor cantidad a más altas temperaturas. Los peces son víctimas frecuentes de la disminución del oxígeno disuelto en los cuerpos de agua por el aumento de la temperatura, debido, por ejemplo, a la descarga de agua caliente proveniente de una industria.

KCL 50 NaCl KClO3

Ce2(SO4)3 0 0

50 Temperatura (ºC)

100

Destapar una bebida gaseosa es un caso frecuente que nos ilustra acerca de cómo influye la presión en la solubilidad de las sustancias. Al quitar la tapa, disminuimos violentamente la presión a la que fue envasada la bebida que contiene dióxido de carbono, por lo que éste escapa de la disolución.

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Otra situación bien interesante, pero a la vez muy peligrosa, es la que pueden confrontar los buzos si ascienden muy rápido desde la profundidad de las aguas. Como sabemos, todo buceador debe llevar un suministro de aire comprimido. El aire sometido a las altas presiones de las aguas profundas es más soluble en la sangre que a presiones atmosféricas normales. Si el buzo asciende muy rápidamente, el exceso de nitrógeno disuelto en su sangre se desprende como burbujas, ocasionando fuertes dolores en las extremidades y articulaciones. Además, al interferir peligrosamente con el sistema nervioso, también produce vértigo, parálisis y sordera. Para evitar esto, el buzo debe ascender lentamente o someterse a una cámara de descompresión. Adicionalmente se puede sustituir el aire por una mezcla helio-oxígeno, ya que el helio es menos soluble en la sangre que el nitrógeno.

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Concentración de las disoluciones Para expresar la concentración de las disoluciones, se utilizan relaciones proporcionales entre la cantidad de una de las sustancias componentes (generalmente el soluto) y la cantidad de disolución o de solvente. Estas cantidades se expresan en términos de masa (gramos y kilogramos), volumen (litros o decímetros cúbicos) y cantidad de sustancia (moles y milimoles). Estas últimas unidades serán presentadas en el capítulo correspondiente.

Interesante El CO inhalado reduce la capacidad de la sangre para transportar O2. Cuando su concentración alcanza el valor de 2,38 g/dm3 resulta mortal. Por ello es realmente peligroso mantener encendido el motor de un automóvil en sitios cerrados como lo es un garaje.

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Apoyo didáctico Una estrategia para presentar las magnitudes de concentración de las disoluciones podría ser la siguiente. Pregunta cómo se puede establecer la concentración de personas en un área determinada (densidad poblacional). De allí se deduce que hace falta proponer una relación proporcional entre el número de personas y el área que ellas ocupan. Sería recomendable hacer cálculos sobre cuánto varía la concentración al modificar el número de personas o el área y deducir que diferentes áreas con distinto número de personas pueden tener la misma densidad poblacional. Luego, sobre la base de que la cantidad de un material se puede expresar mediante la masa, el volumen o la cantidad de sustancia, los estudiantes deducirían las posibles combinaciones en que se pueden presentar las proporciones entre la cantidad de soluto y la cantidad de disolución o solvente, dándose cuenta de que algunas relaciones posibles pudieran parecer sin una evidente utilidad práctica. En el siguiente cuadro se presentan algunas de las magnitudes más comúnmente utilizadas para expresar las concentraciones de las disoluciones. Magnitud

Unidad

Fórmula

Ejemplo

Masa / Masa

%

% m/m= (msto / mdsolc ) x 100

% m/m = 30 %. Significa que hay 30 g de soluto por cada 100 g de disolución.

Masa / Volumen

%

% m/V = (msto /Vdsolc) x 100

% m/V = 25 %. Significa que hay 25 g de soluto por cada 100 ml de disolución.

Volumen / Volumen

%

% V/V = (Vsto / Vdsolc) x 100

% V/V = 50 %. Significa que hay 50 ml de soluto por cada 100 ml de disolución.

¿Sabías que...?

sto= soluto dsolc=disolución

Partes por millón (ppm) es una unidad que se emplea para expresar la concentración de las disoluciones cuando se utilizan cantidades muy pequeñas de solutos. Por ejemplo: 12 ppm significa que hay 12 mg de soluto por decímetro cúbico de solución. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo IV: Los compuestos químicos • fascículo 10


Reacciones y ecuaciones químicas Cuando horneamos los componentes de una torta, entre otros cambios en los materiales se produce el desprendimiento del gas dióxido de carbono que, al abrir pequeños orificios por los que escapa, le da esa agradable consistencia esponjosa a tan sabroso postre. Al freír un huevo, las altas temperaturas desnaturalizan sus proteínas al romperse sus moléculas. Si por error agregamos cloro al lavar una ropa de vistosos colores, veremos cómo lamentablemente ésta queda con manchas blancas. Y si a las rejas de las ventanas no las recubrimos con pintura adecuada, la acción del oxígeno y el agua ambientales, con el tiempo, las recubrirán con herrumbre u óxido color pardo-rojizo. Todos estos son ejemplos de hechos cotidianos que implican transformaciones que producen nuevas sustancias. A estos cambios se les conoce como reacciones químicas.

Apoyo didáctico. Cómo lograr reacciones químicas 80

Trabajarás con zinc en polvo y cristales de yodo. Observa cada uno de ellos. Anota sus características: color, tipo de cristales, propiedades. Ahora únelos en un vidrio de reloj usando un agitador de vidrio. Anota tus observaciones. Añade 1/2 gotero de agua. ¿Qué ocurrió? ¿Cómo es ahora la sustancia formada? ¿Qué sustancia inició la reacción? ¿Será esta sustancia un catalizador?, ¿por qué? Precaución: los vapores de yodo son tóxicos. Cuando ocurre una reacción química se rompen y se forman nuevos enlaces entre los átomos, de tal manera que en la reorganización se producen nuevas sustancias. Para romper un enlace químico hace falta absorber cierta cantidad de energía y, por el contrario, cuando se forma el mismo enlace se desprende esa misma cantidad de energía. Por tal razón, a ésta la denominamos energía de enlace. En definitiva, en una reacción química no sólo nos interesan las sustancias que reaccionan y que se producen, sino también la energía asociada a la transformación (energía de reacción). Para representar una reacción química podemos utilizar los conocidos modelos de esferas, los cuales dan cuenta de los átomos organizados en diversas moléculas o, más esquemáticamente, mediante las llamadas ecuaciones químicas.

2KI + Pb(NO3)2

2KNO3 + PbI2 O

N

O

– O

+ K

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En una ecuación química se escriben las fórmulas de las sustancias reaccionantes del lado izquierdo de una flecha que significa “produce(n)”, y del lado derecho las fórmulas de las sustancias que se obtienen como producto.

2 H2O

2 H2 + O2

En toda reacción química se conserva el número de átomos que hay de cada elemento, pues lo que ocurre es que esos átomos se reordenan. Para expresar lo que pasa en una reacción química delante de las fórmulas se colocan unos números llamados coeficientes que nos indican el número de átomos y moléculas que están participando. A su vez, las fórmulas de las sustancias presentan unos números del lado derecho inferior de los símbolos de los elementos denominados subíndices, ellos representan el número de átomos. Así, cuando escribimos en una ecuación 2 H2O estamos representando dos moléculas de agua que, en total, suman 4 átomos de hidrógeno y dos de oxígeno.

+

+

Moléculas de agua

Moléculas de hidrógeno

Molécula de oxígeno

Átomo de hidrógeno

Átomo de oxígeno

El mundo de la química

Capítulo IV: Los compuestos químicos Para pensar De acuerdo con el texto y la figura anterior, 2 moléculas de agua se descomponen para formar 1 molécula de O2 y 2 moléculas de H2, ¿qué ha sucedido? ( ) Se rompen dos enlaces O-H y se forma un enlace O-O y otro enlace H-H. ( ) Se rompen dos enlaces O-H y se forma un enlace O-O y dos enlaces H-H. ( ) Se rompen cuatro enlaces O-H y se forma un enlace O-O y dos enlaces H-H. En ( ) ( ) ( )

resumen, cuando la reacción química ocurre: cambia el tipo de átomo. cambia el número de átomos. cambia el arreglo entre los átomos.

Si la reacción ocurre en estado gaseoso y para romper los enlaces O-H, O-O, H-H se requieren 464u, 493u y 435u respectivamente, entonces, ¿cuál de los tres enlaces es más fuerte? ¿Cuál es el más débil? Ahora calcula la cantidad de energía asociada con la reacción anterior y demuestra que es 468u. u= unidad de masa atómica

Fascículo 11


Elementos y compuestos, ¿cómo se comportan? Hasta ahora hemos hablado de compuestos químicos, mezclas, disoluciones, concentración de las disoluciones, fórmulas y ecuaciones químicas. Ha llegado el momento de describir las propiedades de los elementos de los grupos 1, 17 y 18 de la tabla periódica y de algunos de sus compuestos. En el capítulo correspondiente encontrarás información acerca de los compuestos químicos más usados desde el punto de vista industrial.

Escala de actividad de los metales

Reactividad de los metales Algunos metales son altamente reactivos mientras que otros reaccionan escasamente. Los metales altamente reactivos no se encuentran en la naturaleza en estado elemental, ya que forman compuestos muy estables que son difíciles de separar. Por ejemplo, los metales alcalino térreos nunca se encuentran en la naturaleza en forma pura sino en compuestos en los minerales formando las rocas (ver tabla periódica).

A manera de ejemplo

Potasio Sodio Calcio Magnesio Aluminio Zinc Hierro Estaño Plomo Cobre Mercurio Plata Oro

2Ag NO3 + Cu Cu (NO3)2 + Zn

+ reactivo

- reactivo

Cu (NO3)2 + 2Ag Zn(NO3)2 + Cu

Todos los metales pueden ser colocados en orden según su reactividad con el agua y el aire, y eso es lo que se llama Serie de Reactividad. La figura que aparece arriba presenta esta serie o escala de actividad de los metales.

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El oro es el menos reactivo de los metales, y por ello está ubicado en la parte más baja de la escala: no reacciona con el agua, ni con ácidos diluidos, ni con el aire, razón por la cual se encuentra en estado elemental en la naturaleza. Por otra parte, el sodio y el potasio (Na y K) son tan reactivos que se deben conservar en aceite para evitar que reaccionen con el aire. En agua, el potasio puede arder y producir una llama de color púrpura. El aluminio reacciona con el aire para formar una delgada cubierta, casi invisible, que la protege del agua, por eso es el elemento estructural de los aviones y ventanas y puertas para duchas. El zinc reacciona lentamente con el agua por lo que es utilizado para galvanizar metales, como el hierro, y así evitar que se oxiden. El hierro se oxida o corroe, como se dice comúnmente, en presencia del aire. El estudio de la corrosión es de gran importancia en la industria química. El cobre, la plata y el oro son muy poco reactivos, por eso son utilizados en joyería. Como algunos metales son muy reactivos el hombre se ha visto en la necesidad de “alearlos” para obtener materiales con propiedades especiales como el latón, el acero inoxidable y el oro blanco.

¿Sabías que…?

Reacción del sodio con agua. La producción de NaOH se muestra por el color rosado debido a la presencia del indicador fenolftaleína. El calor de reacción es suficiente para fundir el sodio.

La máscara de Tutankamón ha sobrevivido durante miles de años debido a que está hecha de oro, un metal que reacciona muy lentamente.

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Metales alcalinos y alcalino térreos l NaC ro u Clor odio de s

Na Hidr OH de s óxido odio

Compuestos de metales alcalinos y alcalino térreos

2O 2

H

Los metales alcalino térreos son divalentes y, al igual que los alcalinos, bastante reactivos. Dan lugar a hidruros y nitruros por unión directa de los elementos y sus óxidos se reducen muy difícilmente. Algunas de sus sales son insolubles en agua. Al calentarlos, los hidróxidos, carbonatos y nitratos se descomponen y forman los óxidos correspondientes.

P Ba e de róx2 O2 i b ar do io

Entre los principales compuestos formados por estos metales destacan las sales que son muy solubles en agua (con algunas excepciones como el fluoruro de litio), los hidróxidos que se forman de la reacción entre el metal y el agua y los hidruros que son el producto de la reacción entre el metal y el hidrógeno.

O e Cado d i io Óx calc

HO 2

H2

O2

Los metales alcalinos son blandos; recién cortados muestran un color plateado que se ennegrece en contacto con el aire. El punto de fusión, el punto de ebullición y el calor específico disminuyen al aumentar el número atómico, es decir, disminuyen al recorrer el grupo de arriba hacia abajo (ver capítulo correspondiente).

CaH2 Hidruro de calcio

Cl 2

Los metales alcalinos tienen una configuración electrónica que termina en ns1, siendo n igual a 2, 3, 4, 5, 6 o 7, es decir, el número del período en el cual se encuentra el elemento. Son los elementos más electropositivos, es decir, sus átomos, los que tienen la mayor tendencia a ceder o “perder” electrones. Al ocurrir esto se forman los cationes (Li+, Na+, K+…) los cuales resultan muy estables en disolución, o formando retículos cristalinos o enlaces de tipo covalente con otros elementos.

83 Li12F12 unidad de fluoruro de litio formada por 12 átomos de cada elemento que describe el arreglo geométrico.

A

B

C

HCl

HCl

HCl

Apoyo didáctico Se le sugiere al docente realizar una actividad práctica que permita a los estudiantes visualizar la reactividad de los metales con ácido. La experiencia requiere de frascos, globos, ácido clorhídrico diluido y muestras de hierro (Fe), zinc (Zn) y magnesio (Mg). Los globos recogerán el gas que pueda generarse en la reacción que tendrá lugar. Se necesitan cantidades iguales de ácido y de metal para comparar el grado de reactividad.

Magnesio

Zinc

A

B

Al final de la práctica los alumnos deben responder las siguientes preguntas • ¿Cuál metal reaccionó más rápido? • ¿Cuál metal reaccionó más lento? • ¿Cuál globo se infló más rápido? • ¿Cuál globo se infló menos rápido?

Hierro

C

Escribe los nombres de los metales en orden de reactividad. Repite la experiencia con cobre pero no utilices el globo. Observa qué ocurre. Escribe el nombre del metal en orden de reactividad e inclúyelo con el grupo anterior. Escribe los nombres de las sustancias que se producen en estas reacciones. Representa la ecuación.

HCl

Magnesio

HCl

HCl

Zinc

Hierro

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Cl2 Cloro

Los halógenos 2O

H

HC hip Ácid lO oc o lor os o

Compuestos de

l IC alóo r e h lor Int no c o ge iod

O2 ClO2 Óxido de cloro

H

Clo KC l po ruro tas de io

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K

I2

los halógenos

Cl

Cl

H2

Cl

Cl2

l HCido o Ác ídric rh clo

Los halógenos flúor (F), cloro (Cl), bromo (Br) y yodo (I), y en menor importancia el astato (At), constituyen los elementos tipo del grupo 17 de la tabla periódica. También son llamados formadores o generadores de sales. Se caracterizan por tener una alta electronegatividad y carácter no metálico, lo cual se explica por la estructura electrónica de sus átomos (ns2,np5). Siendo n= 2, 3, 4, 5 y 6 respectivamente (el valor de n corresponde al período de la tabla periódica), tienen un electrón menos que el gas noble que le sigue en la tabla periódica. Poseen una gran tendencia a aceptar electrones para formar aniones monovalentes y lograr una estructura electrónica del gas noble correspondiente. Al reaccionar con los metales forman sales o haluros y actúan como oxidantes al formar aniones.

Punto de fusión, ebullición, densidad, calor molar de fusión y radio del átomo y de los iones se incrementan al aumentar el número atómico y el calor específico disminuye. Forman compuestos moleculares diatómicos al compartir los dos átomos un par de electrones.

Uso trágico del cloro Durante la I Guerra Mundial (1914-1918) los grupos en pugna usaron gases tóxicos. El cloro fue utilizado por primera vez por los alemanes en Ypres (Bélgica), el 22 de abril de 1915. El gas fue arrastrado por el viento hasta las trincheras e inhalado por las tropas aliadas ocasionando que los pulmones se llenaran de líquido y se intoxicaran. Las personas que no fallecieron quedaron inválidas por el resto de sus vidas. Fue durante la II Segunda Guerra Mundial (1939-1945) cuando se produjeron las máscaras en gran escala. Uno de los gases más usado fue el sulfuro de dicoloetilo [(ClCH2 .CH2)2 S] mejor conocido como gas mostaza.

Piensa un poco ¿Conoces algunos compuestos químicos que se estén usando en las guerras actuales? Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo IV: Los compuestos químicos • fascículo 11


Gases nobles Se ubican en el grupo 18 de la tabla periódica. Se denominan “gases nobles” pero antiguamente se les consideraba inertes, porque los químicos creían que no reaccionaban debido a que sus átomos tienen el último nivel de electrones completamente lleno y, en consecuencia, no podían enlazarse con otros. Por su configuración electrónica los gases nobles reaccionan con dificultad por lo que no se conocen compuestos naturales que los contengan. Fue sólo a partir de la década de los sesenta del siglo pasado cuando fue posible comenzar a producir algunos compuestos en los laboratorios. La reacción del flúor con kriptón y con xenón a altas temperaturas y a alta presión condujo a la formación de compuestos como el XeF4, de geometría plana cuadrada. Este descubrimiento, hecho por Bartlett, permitió que se investigara más a fondo la química de los gases nobles lo que generó nuevos avances en el conocimiento de la química.

KrF2

XeF2

XeO3

XeF4

XeF6

Compuestos de gases nobles

XeOF4

Cs2XeF8

XeOF2

85

Neil Bartlett, químico británico (1932), en 1962 sintetizó el primer compuesto químico a partir de gases nobles y abrió de esa manera un nuevo y amplio campo de investigación en la química inorgánica.

Entre los gases nobles destacan el helio (He), que por su escasa densidad permite el vuelo de globos y dirigibles, y el neón (Ne) de los avisos luminosos que colman el paisaje nocturno de las grandes ciudades. El radón (Rn) es el gas noble más pesado; el mismo se observó por primera vez en forma de gas producido por el elemento uranio. Se han encontrado cantidades muy pequeñas de radón en rocas como el granito, comúnmente usado en la construcción de viviendas, pudiendo acumularse en lugares confinados.

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Para pensar El radón se encuentra naturalmente en nuestro entorno porque proviene de depósitos de uranio natural y por eso su cantidad dependerá de la geología local. Como el radón es químicamente inerte y tiene una vida media de 3,82 días, difícilmente es atrapado por procesos químicos ni en el suelo ni en el agua, por tanto queda libre y puede filtrarse a las casas a través de las paredes y tuberías acumulándose en las grietas de los pisos y en las paredes. Así que cuando una persona respira el isótopo radón-222 (222Rn), su desintegración dentro de los pulmones produce polonio, un metal pesado radiactivo. Éste, a su vez, se desintegra para producir plomo -214, un metal pesado altamente tóxico. La radiación acumulada en los pulmones causa daños a los tejidos e induce el cáncer de pulmón. Se estima que el 6% de los hogares norteamericanos tiene niveles de radón por encima de 4 picocuries por litro (pCi/l), que es el nivel fijado por la Agencia de Protección Ambiental (EPA por sus siglas en inglés). Debido a ello se recomienda realizar pruebas en los hogares para detectar la cantidad de radón presente y, así, determinar las medidas a tomar para subsanar el problema. Mientras tanto, comience por sellar las grietas que tiene en las paredes de su casa.

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Aunque no sabemos cuál es la realidad venezolana con respecto al radón, es hora de empezar a buscar información acerca de este problema.

Leyenda

ducha

Zona 1 Zona 2 Zona 3

Sótano Suelo

Roca

Servicio agua potable

Grietas en pared y piso

Desagüe

Mapa de la presencia de radón en Estados Unidos preparado por la EPA La Agencia de Protección Ambiental (EPA) ha preparado una lista que identifica las áreas que presentan elevados rangos de radón en el subsuelo. Estas zonas asignan a cada uno de los 3 141 condados (counties) valores que van de uno a tres.

Emanaciones de radón

Zona 1. Condados que presentan niveles de radón mayores a 4 pCi/l (picocuries por litro). Zona 2. Condados que presentan niveles de radón entre 2 y 4 pCi/l. Zona 3. Condados que presentan niveles de radón menores a 2 pCi/l. Fuente: www.radongas.com/radon_map.htm

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Un poco de historia Sir John William Ramsay (1852-1916), químico británico, estudió primero en Glasgow y luego en Alemania. Fue profesor de la Universidad de Bristol y de la Universidad “College of London”. Descubrió el argón en colaboración con el físico Lord Raleigh. En 1904 recibió el Premio Nobel de Química por su descubrimiento de los nuevos gases en el aire (helio, argón y neón) y la determinación de su lugar en la tabla periódica.

Ramsay debió enfrentarse al difícil problema de aislar de la atmósfera aquellos gases caracterizados por su extraordinaria inercia química comenzando por el que está en mayor abundancia relativa, el argón (del griego Argos, noble).

Moissan en su laboratorio a comienzos del siglo XX.

También a comienzos del siglo pasado el químico francés Henri Moissan (1852-1907), Premio Nobel de Química en 1906, consigue aislar el elemento más electronegativo de la tabla periódica y por tanto el de mayor reactividad: el flúor. Desde que fue descubierto en 1771, pasaron cien años hasta que Moissan lo aisló en 1886. Durante este período se realizaron numerosos ensayos fallidos para obtenerlo. Entre quienes aspiraron a aislarlo sin conseguirlo hay grandes nombres de la historia de la química como Davy Faraday (descubridor del sodio, potasio, calcio y magnesio), Gay-Lussac y Thénard (descubridores del boro). Algunos de quienes lo intentaron murieron y la mayoría sufrió graves envenenamientos por el flúor y sus compuestos. Este ilustre químico también descubrió el carborundum y pudo producir pequeños diamantes artificiales en su laboratorio.

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CapĂ­tulo V:


El mundo de la química

Los productos químicos La importancia de un elemento o de un compuesto es relativa, depende enteramente del contexto en el cual es evaluado o estudiado. Su relevancia puede estar relacionada, entre otros, con el uso industrial del elemento, con el aspecto que presenta en la naturaleza y con su función en el mantenimiento de la vida de los organismos o del medioambiente. En los fascículos 12, 13 y 14 conocerás algunos productos químicos tomando como referencia el consumo mundial actual de los elementos en materiales manufacturados. Así, también se presentan los principales productos químicos industriales en el mundo. Los productos que aparecen a continuación están formados principalmente por los elementos hidrógeno, carbono, oxígeno, fósforo, nitrógeno, cloro, azufre, sodio, silicio, hierro, calcio y aluminio, y pertenecen a los denominados “cincuenta grandes” productos químicos. Esto nos permite tener una idea de lo fundamental que es la industria química en las sociedades actuales.

Fascículo 12


Elementos en materiales manufacturados Hierro El hierro se encuentra formando parte de ciertos minerales, principalmente óxidos tales como la magnetita Fe3O4, la hematita Fe2O3 y la limonita –goetita– FeOOH o 1/2 Fe2O3.H20; y carbonatos como la siderita FeCO3. De estos minerales, los más abundantes son la hematita (fotografía a la izquierda) y la limonita de los cuales se extraen las tres cuartas partes del hierro que se obtiene en el mundo. A grandes rasgos, los minerales de hierro se localizan en los escudos y macizos antiguos en los que se ha desarrollado un largo proceso de mineralización y, a veces, en algunas zonas cercanas a cordilleras importantes, donde su levantamiento ha servido para traer depósitos metálicos hacia la superficie o cerca de ella. Hay que destacar que una buena fuente secundaria para obtenerlo, dadas las características de perdurabilidad de algunos de sus compuestos utilizados, es la chatarra, especialmente mediante su fundición en hornos eléctricos en las áreas que carecen de carbón. La industria siderúrgica es la que transforma al mineral de hierro en acero y en otras aleaciones diversas que, a su vez, constituyen las materias primas que conforman el material de trabajo de muchas otras empresas.

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Además de mineral de hierro esta industria emplea coque, caliza y una serie de metales como manganeso, níquel, cromo y vanadio, los cuales permiten obtener ciertas aleaciones.

Un poco de historia El Dr. Gustavo Ascanio (foto) es una figura pionera en los estudios del hierro en Venezuela. Fue investigador en el área de la exploración y extracción del mineral de hierro para el Ministerio de Minas e Hidrocarburos, la Orinoco Mining Company y el Ministerio de Energía y Minas. Su trabajo de incorporación a la Academia de Ciencias Físicas, Matemáticas y Naturales se titula: El mineral de hierro. El Dr. Ascanio ocupó el sillón XVI de esta Academia al ser incorporado el 31 de mayo de 1989. Falleció el 6 de febrero de 1998, luego de haber contribuido con el desarrollo de nuestra minería extractiva.

Cortesía: Academia de Ciencias Físicas, Matemáticas y Naturales

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A pesar de que el uso del hierro se remonta a épocas antiguas de nuestra civilización, más de 2000 años a.C., y a pesar de que una era de la civilización honra el comienzo de su uso rutinario por parte de la sociedad con su nombre, fue sólo a partir de la Revolución Industrial, ocurrida entre los siglos XVII y XIX, cuando se originó la industria siderúrgica que conformó la base de todas las demás actividades industriales. El hierro es el más abundante de los metales de transición, constituye el 4,7% de la corteza terrestre. El hierro puro es blanco plateado, se oxida rápidamente en presencia del aire húmedo y si bien fue utilizado por algunas civilizaciones antiguas para la generación de utensilios y armamentos mejores a los existentes, el descubrimiento del notable incremento en su dureza cuando se le incorporaba carbón a su estructura aumentó de forma importante su uso y aplicaciones. Las ventajosas características del hierro son su gran dureza, maleabilidad y tenacidad, lo que hace posible darle distintas formas: fundirlo para luego moldearlo en caliente o mezclarlo para formar aleaciones, aleaciones por cierto tan variadas que algunas pueden hacerle perder algunas condiciones. El hierro puro tiene una densidad elevada y la mayor desventaja para su uso es la facilidad con que se oxida y corroe al mantenerse en contacto con nuestra atmósfera común de vida. Si bien los efectos debidos a la corrosión pueden ser subsanados mediante aleaciones con otros elementos, los de su densidad no. Por ello, el aluminio puro o en ciertas aleaciones de menor densidad, y con mayor estabilidad química al ambiente, está siendo empleado cada vez más en aplicaciones que hasta hace poco le eran exclusivas al hierro. Sin embargo, el hierro es insustituible para algunos usos, por lo que se trata de corregir algunas de sus desventajas mediante aleaciones con otros metales y con el carbono. Así, el acero es hierro con una pequeña parte de carbono (1%) y otros metales, con lo cual el aumento de su dureza es significativo.

Los minerales de hierro más apreciados son los óxidos y el carbonato, que pasa a óxido por calcinación. La reducción del hierro a partir de los óxidos se lleva a cabo en un alto horno, actuando como reductor el carbón de coque, el resto de la destilación seca de la hulla y el CO: Fe2O3 + 3 C Fe2O3 + 3 CO

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Mineral Coque Caliza

Gases a la estufa

2 Fe + 3 CO 2 Fe + 3 CO2

Un alto horno tiene forma de cuba de unos 30 m de alto y 8 m de diámetro. El interior está recubierto por material cerámico refractario y consta de las siguientes partes: • Tragante o abertura superior con cierre en forma de campana que se abre al echarle el mineral y el carbón de coque. • Cuba en forma de tronco de cono, con la base mayor en la parte inferior. • Etalaje, también en forma de tronco de cono cuya base mayor está unida a la cuba. Tiene menos altura que ésta. • Crisol, situado en la parte inferior del horno. Recoge los materiales fundidos: el hierro fundido y la escoria que flota sobre el hierro. Éstos se retiran por sendas piqueras, la del hierro (arrabio) situada en la parte inferior del crisol y la de la escoria en la superficie. • Por encima del crisol, unos potentes ventiladores insuflan aire caliente que aviva la combustión.

Piquera de escoria

Aire caliente

Toberas

Piquera de arrabio

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¿Cómo sabes que has tenido un encuentro con la corrosión? Cuando observes el cambio y destrucción paulatina de cuerpos metálicos por acción de agentes externos conocerás qué es la corrosión. La corrosión del hierro es una reacción química en la que, por ejemplo, el oxígeno molecular y el agua presentes en el aire reaccionan con el hierro metálico para formar una capa de metal oxidado. La herrumbre es óxido de hierro (III) hidratado, de fórmula Fe2O3 x nH2O, siendo n un número variable que indica el número de moléculas de agua que contiene el compuesto. La oxidación del hierro y la corrosión de sus materiales se acelera en ambientes húmedos, al aire libre y, sobre todo, en sitios cercanos al mar. La forma de corrosión conocida como óxido (herrumbre) es muy dañina para objetos fabricados con metal, ya que puede deformar y debilitar su estructura. Sin embargo, existen formas de oxidación que son útiles porque constituyen una capa protectora sobre la superficie del metal, que impide que éste se corroa de manera más profunda y cambie el aspecto del objeto.

Factores que aceleran la corrosión • El tipo de metal ya que, por ejemplo, el cromo se corroe más lentamente que el hierro mientras que metales valiosos tales como la plata esterlina, el platino y el oro se corroen muy lentamente. • El medioambiente juega un papel importante en la rapidez con que se corroen los metales. Por ejemplo, los metales se corroen más rápidamente en climas calientes y húmedos que en climas fríos y secos. • Sustancias químicas como el cloro y el cloruro de sodio aumentan drásticamente la rapidez de corrosión de algunos objetos. De allí los grandes problemas de corrosión presentes en las zonas marinas.

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¿Puede eliminarse la corrosión?

Oxígeno + agua

Agua

Aire seco

Aire húmedo

No se puede eliminar, pero se puede disminuir. ¿Cómo? • Por ejemplo, usando acero inoxidable, una mezcla de cromo y acero que forma una capa de óxido de cromo, la cual al oxidarse más lentamente que el hierro disminuye el proceso de corrosión. • Pintar es el método más corriente para prevenir la oxidación en barcos, vehículos y puentes. La pintura que se utiliza contiene plomo o zinc porque previene la corrosión. El minio con el que se protege el hierro contiene óxido de plomo. • Engrasar las herramientas y las diferentes partes móviles de las máquinas con una capa de grasa o de aceite. • Cubrir el objeto o material con un metal que no se oxide o lo haga mucho más lentamente mediante, por ejemplo, un proceso de galvanización. Otra forma es la de acoplar electrodos secundarios de “sacrificio”, por ejemplo de magnesio, que sean los que se oxiden en lugar del hierro.

Es hora de ser creativos Ordena los siguientes tubos según la rapidez relativa de corrosión del hierro: clavos de hierro y aire húmedo, clavos de hierro y aire seco, clavos de hierro y agua, y clavos de hierro en oxígeno y agua.

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Los aceros El hierro fundido o arrabio contiene un 4% de carbono y cantidades variables de otros elementos como silicio, manganeso, azufre y fósforo. Si se funde de nuevo se obtiene hierro colado que se emplea en piezas de moldeado. Aunque es muy duro resulta quebradizo para piezas de maquinarias. A partir del arrabio se obtiene el acero eliminando parte del carbono y otros elementos mediante un proceso de oxidación en el que se utiliza oxígeno caliente y a presión. El acero es un hierro cuyo contenido en carbono oscila entre el 0,5 y el 1,7%. Mediante tratamiento térmico o agregando otros metales, se obtienen aceros especiales que poseen propiedades adecuadas para distintas aplicaciones tecnológicas: • Si el acero se calienta a elevada temperatura y posteriormente se somete a un enfriamiento rápido, proceso que se denomina temple del acero, su dureza aumenta pero se hace más quebradizo. • Si se calienta al rojo vivo y luego se enfría lentamente, que es el llamado recocido del acero, pierde dureza y se hace más plástico. • Si se funde con otros metales se obtienen aceros de características especiales, como los que aparecen en el siguiente cuadro.

Tipos de aceros

Características

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Algunos usos

Al níquel (2 - 4% Ni)

Con un 36% de este metal posee un coeficiente de dilatación prácticamente nulo. Si la proporción de níquel es menor, el acero ofrece gran resistencia a la corrosión y es muy duro pero elástico.

Aparatos de precisión, engranajes, cables.

Al cromo-vanadio (1-10% Cr / 3-8% V)

De gran tenacidad y resistencia química. El acero inoxidable contiene un 18% de cromo y un 8% de vanadio.

Ejes y otras piezas de automóvil.

Conserva el temple a elevadas Al wolframio (10-20% W/3-8% Cr) temperaturas.

Utilizado para máquinas, herramientas cortantes rápidas, brocas y limas.

Al molibdeno (6-7% Mo)

Para fabricar máquinas cortantes rápidas (aceros rápidos).

Duro incluso a altas temperaturas.

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El aluminio

La bauxita, un óxido de color marrón rojizo, es la fuente principal del aluminio. Cuando se calienta con carbón se produce óxido de aluminio, un polvo blanco que por electrólisis produce aluminio.

El aluminio es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre después del oxígeno, el silicio y el hierro. Sin embargo, su concentración no suele ser tan grande como la del hierro por lo que se necesitaría procesar una mayor cantidad de mineral para obtener una tonelada de este metal, si se compara con lo que se debe procesar para obtener el hierro. Ya que el aluminio es más reactivo que el hierro debería oxidarse más rápidamente (ver escala de reactividad de los metales) pero en apariencia no lo hace. Lo que ocurre es una rápida reacción de oxidación del aluminio que forma una capa exterior de Al2O3 que no se desprende, como sucede con la herrumbre, e impide que el oxígeno siga atacando al aluminio. Es el metal más usado en el mundo entero. Las industrias de transporte aéreo y terrestre lo emplean como componente estructural debido a su resistencia y baja densidad. El aluminio ha hecho que los autos y los aviones sean menos pesados, requiriendo un menor consumo de combustible para su movilización. Es también un excelente conductor de la electricidad, por lo que se utiliza para elaborar las más resistentes líneas de transmisión de electricidad.

La bauxita: Un recurso mineral importante para Venezuela La bauxita es el mineral que contiene una proporción de aluminio suficientemente elevada como para justificar su explotación (25% de este metal). Está formada por depósitos de arcilla de tipo laterítico, que constituyen acumulaciones de óxido de aluminio (junto con óxidos de hierro y silicatos) formados mediante un proceso climático relativamente largo.

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Los países que producen mayor cantidad de bauxita son: Venezuela, Australia, Guinea, Jamaica, Brasil, China, India, Surinam y otros que, en su mayoría, forman parte del llamado mundo en desarrollo. En Venezuela, los principales yacimientos de bauxita se encuentran en los Pijiguaos (foto), al oeste del estado Bolívar (unos 60 km al sur de La Urbana, junto al río Suapure). Otros yacimientos están localizados en las proximidades de Upata y en la Gran Sabana.

¿Sabías que...? Para producir una tonelada métrica de aluminio es necesario consumir entre 15.000 y 20.000 kilovatios de electricidad. Este elevado consumo energético se explica porque la separación del aluminio se hace por electrólisis, y para ello es necesario fundir la alúmina pasándola a través de una corriente eléctrica muy intensa. La necesidad de contar con una fuente de energía eléctrica barata, obliga a que las plantas metalúrgicas de aluminio se ubiquen cerca de las centrales hidroeléctricas y no de los yacimientos de bauxita.

Interesante En los últimos años, el valor de las exportaciones venezolanas de lingotes y productos de aluminio (papel de aluminio, planchas, perfiles, tubos, cables, artículos de cocina, ruedas de diferentes tipos, etc.) ha alcanzado el segundo lugar después de las petroleras, superando, incluso, las exportaciones de hierro y sus derivados que tradicionalmente ocupaban ese segundo puesto Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo V: Los productos químicos • fascículo 12


Aluminio y metalurgia No hay duda de que las relucientes pepitas metálicas que se encuentran entre la arena y las rocas fascinaron a los hombres primitivos, simplemente por su apariencia. Sin embargo, en algún momento alguien descubrió que los metales se podían configurar en herramientas. Los primeros metales utilizados fueron, sin duda, aquellos existentes en estado natural. Después se encontró que al calentar algunas rocas con carbón, en una hoguera, se producían metales. Ahora hemos comprobado que estas rocas contienen compuestos metálicos que se pueden reducir al estado metálico por reacción con carbón (carbono) o con el monóxido de carbono obtenido por la combustión parcial del carbón. Probablemente el cobre fue el primer metal producido en esta forma. Más tarde se supo que de las rocas que contenían compuestos de cobre y de estaño se podía obtener bronce y así ocurrió la primera aleación fabricada. Éste fue el origen de la metalurgia.

Metalurgia es el estudio científico de la producción de metales a partir de sus menas y la fabricación de aleaciones que tienen diversas propiedades útiles.

Laboratorio de metalurgia.

La bauxita también se utiliza como una fuente de galio, el elemento que está debajo del aluminio en la tabla periódica. El galio es importante en la preparación de arseniuro de galio para dispositivos de estado sólido, incluso láseres para reproductores de discos compactos.

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Interesante El drano sólido es un destapador de cañerías que consiste en una mezcla de pedazos pequeños de aluminio metálico e hidróxido de sodio sólido. Cuando se le añade agua, el aluminio reacciona con el NaOH (ac) y produce gas hidrógeno en una reacción altamente exotérmica que destapa la cañería.

¿Sabías que...? El corindón es un mineral duro de óxido de aluminio Al2O3. EL óxido puro es incoloro pero en presencia de impurezas puede tomar diversos colores. El zafiro (azul) y el rubí (rojo) son corindón de calidad de gema.

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Ácido sulfúrico (H2SO4): El rey de los productos químicos Planta de ácido sulfúrico.

En Estados Unidos el azufre se encuentra en forma muy pura en depósitos subterráneos a lo largo de la costa del Golfo de México. En Venezuela se producen grandes cantidades de este elemento a partir del petróleo. El azufre es la materia prima para la producción del ácido sulfúrico, la principal sustancia química comercial por tener una amplia variedad de usos en metalurgia. Se utiliza en refinado de petróleo, baterías de automóviles, fabricación de fertilizantes y en muchos otros productos. El ácido sulfúrico también puede producirse, directamente, a partir del dióxido de azufre proveniente de la fundición de cobre o de plomo, proceso que requiere extremar los cuidados ambientales pues si no se recupera el dióxido de azufre se contamina el entorno.

¿Sabías que…?

Estructura Lewis del ácido sulfúrico

O H

96

O

S

La producción de ácido sulfúrico es uno de los índices del desarrollo de la industria química de un país. Esto se debe a sus múltiples aplicaciones.

O H

O Proceso de extracción del azufre por el proceso Frasch Aire caliente comprimido

Azufre líquido Agua (180 ºC, 7 atm presión)

El azufre monoclínico funde a 119 ºC para formar una capa de líquido amarillo pálido que consiste en anillos S8. A unos 200 ºC el líquido se torna espeso y la explicación de este fenómeno es la siguiente: a unos 150 ºC la energía causa la rotura de los anillos S8 para formar cadenas de átomos de azufre.

Calcita

s

s

s

s

s

s s

Azufre líquido

s s

s s

s s

s s

s

Estas cadenas se unen unas con otras para formar cadenas aún más largas que al seguirse uniendo hacen que el líquido se torne espeso.

Depósito de azufre en calcita

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Proceso de obtención del ácido sulfúrico a partir del SO2 El uso más importante del azufre es la preparación del ácido sulfúrico por el “método de contacto”. EL azufre es primero quemado en oxígeno para formar dióxido de azufre.

S(s) + O2(g)

SO2 (g)

El dióxido de azufre se convierte en trióxido de azufre en presencia del catalizador pentóxido de vanadio.

SO2 (g) + O2 (g)

2SO3 (g)

El trióxido de azufre es absorbido por ácido sulfúrico líquido para formar el oleum ácido sulfúrico, es decir ácido sulfúrico fumante.

H2SO4 (l) + SO3 (g)

H2S2O7 (oleum)

Al oleum se le añade agua o ácido sulfúrico diluido para producir la concentración de ácido sulfúrico deseada. El trióxido de azufre no puede ser absorbido directamente en agua porque esta reacción es muy rápida, difícil de controlar y muy exotérmica. Por tanto, el vapor de ácido sulfúrico que se forma en esas condiciones es difícil de condensar apropiadamente.

El mundo de la química

Capítulo V: Los productos químicos Propiedades del ácido súlfurico Es un líquido incoloro, viscoso y más denso que el agua, d= 1 834 k/m3 a 25 ºC. Es además fuertemente deshidratante, y por ejemplo al actuar sobre sustancias como el azúcar, la celulosa y otros hidratos de carbono, deja el carbono en estado libre, es decir absorbe el agua que puede estar contenida en diversas sustancias.

Ácido sulfúrico 98% deshidrata la sacarosa que está en el vaso de precipitados y la convierte en carbón.

Algunas reacciones Concentrado, reacciona con ciertos elementos tales como el cobre, oxidándolos: 2 H2SO4(c) + Cu(s) CuSO4(ac) + SO2(g) + 2H2O (l) Diluido, reacciona con metales reductores como magnesio, zinc, hierro y aluminio liberando hidrógeno: Fe(s) + H2SO4(ac) H2(g) + FeSO4(ac) Con sales de ácidos más débiles que él forma sulfatos: 2 NaCl(s) + H2SO4(ac) 2 HCl(g) + Na2SO4(s) CaCO3 + H2SO4 (ac) CaSO4 + H2CO3 (CO2 + H2O) Reacciona con sustancias básicas neutralizándolas: H2SO4 + 2 NaOH Na2SO4 + H2O

Por tu seguridad... Si te cayera ácido sulfúrico en el cuerpo o en la ropa, lávate inmediatamente con abundante agua o preferentemente con una solución de bicarbonato de sodio. Nunca succiones directamente con la boca este o ningún otro ácido al utilizar la pipeta.

Fascículo 13


El ácido fosfórico (H3PO4)

Planta de ácido fosfórico

El ácido fosfórico se cuenta entre las diez sustancias químicas que se producen industrialmente en mayor cantidad. De fórmula química H3PO4, este ácido constituye la fuente de unos importantes químicos llamados fosfatos.

Preparación industrial del H3PO4 Se obtiene mediante el tratamiento de rocas de fosfato de calcio con ácido sulfúrico, filtrando posteriormente el líquido resultante para extraer el sulfato de calcio.

Ca5(PO4)3F(s) + 5 H2SO4(ac) + 10H2O(l) 3 H3PO4(ac) + 5 CaSO4 . 2H2O(s) + HF(g)

Proceso de tres pasos

H

a) Al hacer reaccionar primero la fluoroapatita con arena (SiO2) y coque (una forma de carbono) en un horno de arco eléctrico a 2000 ºC.

Estructura Lewis del ácido fosfórico

O 98

H

O

P

O H

4 Ca5(PO4)3F(s) + 18 SiO2(s) + 15 C(s) 18 CaSiO3(S) + 2 CaF2(l) + 15 CO2(g) + 3 P4(g)

O

b) Una vez condensado el fósforo gaseoso, se quema en oxígeno para formar el óxido P4O10.

P

P4(s) + 5 O2(g)

O

P4O10(s)

c) Reacción del óxido con agua para dar ácido fosfórico, un ácido débil.

P4O10(s) + 6 H2O(l) P4O6

4 H3PO4(ac)

P4O10

Cuando el fósforo reacciona con oxígeno produce P4O6 (al estar ante exceso de fósforo) y P4O10 (en presencia de exceso de oxígeno).

P4 (s) + 3O2 (g) P4 (s) + 5O2 (g)

P4O6 (s) P4O10 (s)

Estos óxidos reaccionan con agua para formar el ácido fosforoso (H3PO3) y el ácido fosfórico (H3PO4).

¿Sabías que...? Muchos insecticidas contienen compuestos organofosforados que son altamente tóxicos para los humanos ya que bloquean la transmisión de señales eléctricas en el sistema respiratorio, causando parálisis y muerte por sofocación. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo V: Los productos químicos • fascículo 13


Propiedades A temperatura ambiente, el ácido fosfórico es un líquido transparente que tiene una densidad relativa de 1,83 g/l. Posee un punto de fusión de 42,35 °C. Normalmente el ácido fosfórico se almacena y distribuye en disolución.

Usos Se usa en la fabricación de fertilizantes, en el tratamiento de productos de acero y en la fabricación de aditivos para alimentos y detergentes. El ácido fosfórico es utilizado ampliamente en la producción de bebidas gaseosas. El NaH2PO4 se emplea en la fabricación de alimentos para controlar el grado de acidez y el Ca(H2PO4)2 es el ingrediente ácido del polvo de hornear.

Algunas reacciones de compuestos de ácido fosfórico Superfosfatos, mezcla de monofosfato de calcio (soluble) y sulfato de calcio: al reaccionar el fosfato de calcio y el ácido sulfúrico se produce superfosfato: Ca3(PO4)2 + 2 H2SO4

Ca(H2PO4)2 + 2 CaSO4

Si se trata la fosforita con ácido fosfórico se obtiene sólo monofosfato de calcio, fosfato enriquecido: Ca3(PO4)2 + 4 H3PO4 Otras reacciones: H3PO4

calor

Ca3(PO4)2 + 4H3PO4

99

3 Ca(H2PO4)2 ácido pirofosfórico

H 4P 2O 7 + H 2O 3Ca(H2PO4)2 (s)

El fósforo en el organismo es un elemento esencial en los ácidos nucleicos que regulan el desarrollo de los seres vivos. También se halla en la molécula de ATP que puede intervenir en los intercambios energéticos dentro de la célula de dos formas: cargándose de energía o cediéndola. Las plantas toman el fósforo disuelto en el agua en forma de fosfatos solubles, que es como se fabrican estos abonos a partir de un mineral insoluble de origen orgánico, la fosforita o fosfato tricálcico, Ca3(PO4)2.

Importante •

El pentóxido de fósforo se usa para absorber agua en los desecadores de laboratorio y en las cajas secas para eliminar vapor de agua.

El compuesto tripolifosfato de sodio (Na4P3O10) ha sido ampliamente utilizado como ingrediente de los detergentes ya que es capaz de romper y suspender manchas en la ropa durante el lavado formando complejos solubles en agua.

Los compuestos de fósforo al ser desechados en lagos o ríos ocasionan serios problemas de contaminación: es lo que se conoce como proceso de eutroficación. El fosfato es un nutriente que aumenta el crecimiento vegetal en los cuerpos de agua con una consiguiente disminución de oxígeno disuelto y un desequilibrio del balance ecológico, por esta razón se ha reducido el contenido de fosfatos en los detergentes. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo V: Los productos químicos • fascículo 13


Ácido nítrico (HNO3) El nitrógeno es una de las sustancias químicas más utilizadas en los procesos industriales. Gran cantidad se obtiene del aire pero también de importantes depósitos de salitre (KNO3 salitre de potasio o NaNO3 también llamado salitre chileno). Estos compuestos se utilizan fundamentalmente en la producción de fertilizantes. Debido a su gran solubilidad en agua, las sales de nitrato también son usadas para otros fines, por ejemplo: el NaNO3 para preservar la carne, el KNO3 para la fabricación de la pólvora y el AgNO3 para preparar los reveladores de película fotográfica. El ácido nítrico fue preparado por primera vez por Glauber, en 1648, a partir del nitrato de potasio. En 1783 Cavendish logró determinar su composición. El ácido nítrico, además de sus propiedades como ácido fuerte en soluciones acuosas, es un buen agente oxidante. Por esta razón los alquimistas lo usaron bajo la denominación de “agua fuerte” en la separación de oro y plata.

Partes de una planta de producción de ácido nítrico

Estructura Lewis del ácido nítrico

O 100

H

O

N

O

“Síntesis de Ostwald” o método industrial para la obtención de ácido nítrico Cerca de la mitad del amoníaco que se produce a nivel industrial se convierte en ácido nítrico mediante el “Proceso Ostwald” según el siguiente esquema de reacciones: 4NH3(g) + 5O2(g) 2NO(g) + O2(g) 3NO2(g) + H2O(l)

4NO(g) + 6H20(g) Wilhelm Ostwald,

2NO2(g)

químico alemán (1853–1932)

2HNO3(ac) + NO(g)

El ácido nítrico puro también puede obtenerse calentando una mezcla de nitrato de sodio con ácido sulfúrico. NO3Na(s) + H2SO4(l)

Absorbedor H2O Condensador H2O

Na2SO4(s) + 2HNO3(g)

El esquema presenta gráficamente este proceso.

NO3Na + H2SO4

Calor

HNO3 diluido HNO3 concentrado

Fuente: http://www.maloloeinstein.com/Quimica/Acnitrico.pdf

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Propiedades Líquido incoloro cuando está recién destilado, pero se descompone con la luz y adquiere una coloración amarilla por la presencia de NO2 disuelto. Hierve a 83 ºC y emite humos blancos debido a la condensación de sus vapores con el vapor de agua atmosférico. El ácido comercial tiene una concentración del 68,4% y una densidad de 1,407 g/cm3. Este ácido es tóxico y muy corrosivo, ataca las proteínas formando compuestos amarillos (reacción xantoproteica) por eso mancha la piel con ese color y destruye las mucosas.

Usos Se usa en la fabricación de abonos nitrogenados para la obtención de productos nitrados: nitroglicerina, nitrotolueno, ácido pícrico, seda artificial, nitrobenceno y compuestos farmacéuticos. También se utiliza en la obtención de colorantes.

Reacciones Reacciona con casi todos los metales excepto con el oro y el platino.

101

El ácido nítrico es el agente oxidante menos costoso y se usa en una gran cantidad de procesos químicos incluyendo la producción de explosivos como el trinitrotolueno (TNT), la nitroglicerina y la nitrocelulosa.

CH3

O 2N O

O 2N

NO2

NO2 O

Alfred Nobel nació en Estocolmo, Suecia, en 1833, y en 1866 inventó la dinamita y construyó compañías y laboratorios en más de 20 países. En 1895, un año antes de su muerte, decidió dedicar parte de su fortuna al Premio que lleva su nombre.

O NO2

Molécula de TNT

NO2

Molécula de nitroglicerina

Interesante Algunos microorganismos o bacterias son capaces de fijar nitrógeno. La más común de estas bacterias es el rhizobium. En la fotografía podemos apreciar nódulos fijadores de nitrógeno en las raíces de una planta leguminosa. Estos nódulos contienen rhizobium que convierte el nitrógeno atmosférico elemental en compuestos de nitrógeno solubles en agua.

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El amoníaco (NH3) El amoníaco se encuentra en el aire del ambiente, en el suelo, en el agua, en plantas y animales e, incluso, en seres humanos. La exposición a niveles altos de amoníaco puede producir irritación y quemaduras serias en la piel y en la boca, la garganta, los pulmones y los ojos. Si la exposición es a niveles muy altos, puede hasta provocar la muerte. El amoníaco está presente en la naturaleza y puede ser manufacturado. Es una fuente importante del nitrógeno que necesitan las plantas y los animales. Las bacterias que se encuentran en los intestinos pueden producir amoníaco. Su olor es característico y fácilmente reconocido por mucha gente ya que se usa en sales aromáticas, en muchos productos de limpieza domésticos e industriales y en productos para limpiar vidrios.

Planta de amoníaco

¿Sabías que…?

Estructura Lewis del amoníaco

H

El amoníaco (NH3) fue la primera molécula compleja encontrada en el espacio interestelar. Su presencia ha sido confirmada en nubes de polvo cósmico, en la Vía Láctea y en estado sólido es uno de los constituyentes de los anillos de Saturno.

102

H

N

H

Proceso de obtención del amoníaco El amoníaco se produce industrialmente por el Proceso Haber que consiste en una reacción de hidrógeno gaseoso y nitrógeno gaseoso en presencia de un catalizador (hierro-molibdeno) a una presión de 300 atm y a temperatura de 500 ºC. 3H2(g) + N2

H2

2NH3(g)

A escala de laboratorio el amoníaco se puede obtener calentando una mezcla de cloruro de amonio y cal viva (óxido de calcio).

N2

Compresor

Reactor con catalizador

2NH4Cl(s) + CaO(s)

NH3(g) + CaCl2(s) + H2O(l)

El Proceso Haber es una eficiente y elegante pieza de la química. Toma nitrógeno del aire e hidrógeno del agua o de la reacción entre metano y vapor de agua caliente. A alta temperatura y presión, y en presencia de catalizadores, produce el amoníaco. El amoníaco, en forma de sulfato o nitrato de amonio, es un nutriente de las plantas, las cuales lo convierten en proteínas que se traspasan a los animales y, una vez que éstos mueren, retorna a las plantas o al aire. Aparte del combustible necesario para el calentamiento, el Proceso Haber no requiere recursos no renovables. Sería muy difícil producir alimentos para la población actual si no se contara con él.

Compresor

Depósito de amoníaco líquido Distribución

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Propiedades Es un gas incoloro (25 ºC), de olor picante que irrita las mucosas nasales y la conjuntiva de los ojos, excitando la glándula lacrimal. Se licua a 25 ºC y 10 atm de presión. Es muy soluble en agua: en condiciones normales 100 litros de gas en un litro de agua. Las disoluciones acuosas poseen carácter básico (hidróxido de amonio).

Usos Se combina con diferentes componentes de los suelos y se convierte en un excelente nutriente para las plantas. Se usa igualmente en la obtención de derivados nitrogenados como la hidracina, H2N-NH2, la urea, CO(NH2)2 muy empleada como abono, y en la fabricación de plásticos.

Reacciones Algunas reacciones del amoníaco son: NH3 (g) + H2O (l)

NH3(ac) o NH4+ OH-(ac)*

NH4OH (ac) + HCl (ac)

NH4Cl(ac) + H2O

* El NH4OH en solución existe en forma ionizada, es decir en NH4+ y OH-

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indica que la reacción no es completa. indica que sólo una pequeña cantidad del NH3 disuelto reacciona con el agua. Reacciones como esas son un ejemplo de equilibrio en medio acuoso.

Para saber más Química de los fertilizantes

Gastos para fertilizantes y acondicionadores de suelos en Estados Unidos, como porcentaje del total de la producción agrícola en el año 2002.

El cultivo intensivo de especies vegetales resulta hoy fundamental para cubrir las necesidades alimenticias de los casi 6 000 millones de habitantes que pueblan nuestro planeta. Pero este tipo de cultivo produce el agotamiento en el suelo de elementos imprescindibles para las plantas, como lo son: el nitrógeno, el fósforo, el potasio, el calcio y el azufre. Además de éstos, a las plantas les son necesarios, aunque en cantidades muy pequeñas, los llamados oligoelementos: magnesio, hierro, cobre, boro, manganeso, zinc y silicio. Para reponer todos los anteriores elementos, se emplean grandes cantidades de abonos o fertilizantes obtenidos industrialmente. Fuente: U.S. Department of Agriculture, National Agriculture Statistics Service

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El óxido nítrico: Un compuesto importante para muchas funciones fisiológicas De visita en Venezuela, Louis Ignarro, Premio Nobel de Medicina (1998), defendió los beneficios del óxido nítrico (NO) también llamado monóxido de nitrógeno, molécula que se produce naturalmente en el organismo y que es vital para la protección de los vasos sanguíneos. El científico señaló que “el óxido nítrico (...) además de proteger contra las enfermedades cardiovasculares, se ha probado que ayuda a prevenir la apoplejía, el infarto al miocardio y la hipertensión pulmonar en niños y adultos. También es valioso para la memoria y el aprendizaje, se asocia con la protección contra la enfermedad de Alzheimer y la demencia senil. Se ha utilizado en el desarrollo de productos contra la disfunción eréctil que han causado revoluciones comerciales y medicinales en los últimos años. El óxido nítrico producido en el organismo funciona como un factor que mantiene la salud del endotelio, la pared de las células que reviste los vasos sanguíneos…”. El Nacional, 3-12-2004, p. B-18.

Mejor presión sanguínea El ácido nítrico incrementa el diámetro de los vasos sanguíneos. Medicinas que utilizan este compuesto ayudan al tratamiento de la hipertensión y la disfunción eréctil.

Corazón

Vaso sanguíneo

104 Moléculas de ácido nítrico

Mensajero Receptor

El óxido nítrico (NO), un radical libre gaseoso, es un importante mediador en muchos procesos fisiológicos y patológicos. Cruza fácilmente las membranas y actúa como mensajero intercelular modulando el flujo sanguíneo; desempeña también un importante papel a nivel endotelial como agente antitrombótico. Se ha visto además que tiene acción antimicrobiana y puede actuar como destructor de células cancerosas. Se produce por la acción de la óxido nítrico sintetasa, enzima que tiene tres isoformas. L-Arginina + O2 + NADPH

citrulina

GTP

sGC

phox

O3

NO O2

NO + L-Citrulina

Aunque el NO es un radical libre tiene muy poca toxicidad dado que es muy volátil y no se acumula. Sin embargo, se vuelve altamente tóxico por la reacción con un radical superóxido y la formación de peroxinitrito que es un oxidante muy potente. NO + O2

NOS

arginina

ONOO-

SOD cGMP H2O2 + O2

ONOO

El peroxinitrito (ONOO) se ha relacionado con enfermedades renales, crónicas e inflamatorias, con procesos neurodegenerativos y artritis reumatoide. Nitrotiroxina/proteína

Síntesis del óxido nítrico en el cuerpo humano Fuente: http://www.upstate.com/browse/categories/reagents.q.

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Abonos nitrogenados

El ciclo del nitrógeno

El nitrógeno es un elemento presente en la estructura molecular de sustancias orgánicas como la clorofila, los aminoácidos, las proteínas y los ácidos nucleicos.

Nitrógeno atmosférico Fijamiento atmosférico y deposición

El estiércol se ha empleado desde la antigüedad como abono natural, pero el nitrógeno procedente de estos restos orgánicos debe pasar, antes de ser asimilado por las plantas, por un proceso de mineralización llevado a cabo, en primer lugar, por bacterias anaerobias que lo transforman en amoníaco y, después, por bacterias nitrificantes aerobias que oxidan este compuesto a nitratos.

Fertilizantes comerciales

Cosecha

Volatilización

Estiércol y biosólidos Residuos vegetales

Aguas superficiales

Fijamiento biológico por las plantas

Tomado por la planta Dendrificación Nitrógeno orgánico

Como estos abonos naturales no cubren la demanda de los agricultores, es preciso fabricar abonos nitrogenados a partir de nitrógeno atmosférico, obteniendo primero amoníaco y después nitratos. Los principales abonos nitrogenados son el amoníaco, la urea, el nitrato amónico y el sulfato amónico.

Amonio (NH4+)

Componente

Aporte al suelo

Nitratos (NO3) Lixiviación

Pérdida del suelo

Fuente: http://msucares.com/crops/soils

El mundo de la química

Capítulo V: Los productos químicos La química en la agricultura del siglo XIX en Venezuela Entre el siglo XIX y principios del XX la agricultura constituyó la primera fuente de ingreso en Venezuela. Por esta razón se hicieron significativos esfuerzos para enseñar a los productores del agro algunos elementos de química que pudieran incidir en el mejoramiento de sus cosechas. Los primeros intentos remontan a la Sociedad Económica Amigos del País, presidida por el doctor José María Vargas en el año 1830. Más tarde, en 1890, el ilustre químico Vicente Marcano publicó un libro titulado Cartilla de Agronomía, el cual resume de manera didáctica el conocimiento químico de la época aplicable a la agricultura. En 1891 Marcano amplió esta información desde un punto de vista más científico al publicar sus Ensayos de Agronomía Tropical. En 1907 un discípulo suyo, el doctor Antonio Pedro Mora publicó la Cartilla de Agricultura que actualiza, en parte, el contenido del libro de Marcano.

Fascículo 14


Un poco de historia

Haber y Einstein (1914)

Fritz Haber nació en 1868 en Bretslao, Alemania. Estudió ciencia en Berlín y trabajó en la escuela de ingeniería de Karlsruhe investigando en tecnología química. A partir de 1906, fue profesor de esa escuela en la época de la expansión técnica e industrial y del florecimiento de la ciencia en Alemania. En 1912 como director del Instituto Kaiser Wilhelm en el área de físicoquímica, Haber fue uno de los científicos mas respetados de su país. Uno de sus primeros proyectos allí fue el desarrollo de equipos de seguridad para detectar gases peligrosos en minas, pero enseguida los científicos de esa institución cambiaron los objetivos de la ciencia destinándolos a la guerra. A Haber se le pidió que desarrollara nuevas sustancias de uso bélico lo que hizo con gran eficiencia. Estuvo a favor de los ataques masivos con gas para hacer que la guerra terminara más rápido por lo que trabajó en otras armas mortíferas, incluyendo el gas mostaza. Al parecer no se sintió culpable respecto de usar la ciencia para producir armas de guerra, pues afirmó: “El hombre le pertenece al mundo en tiempos de paz, pero a su país en tiempos de guerra”. Sin embargo, su esposa estaba atormentada por la participación de Haber en la guerra y en 1916 se suicidó.

106

Este controversial químico fue galardonado con el Premio Nobel de Química en 1918 por el desarrollo de un método de obtención del amoníaco por combinación directa de sus elementos, el nitrógeno y el hidrógeno. Carl Bosch adaptó más tarde este método para su uso comercial. En 1933, Haber fue expulsado de su país por ser judío. Aceptó un trabajo en la Universidad de Cambridge, en Inglaterra, pero murió un año más tarde, desilusionado y en la miseria, víctima de un infarto.

Las dos caras del Proceso Haber Así como el Proceso Haber había sido empleado para la producción de fertilizantes, también el amoníaco se había utilizado para la producción de ácido nítrico, el cual permite la manufactura de explosivos. Éstos tienen importantes usos pacíficos: minería, construcción de túneles y carreteras, y demoliciones, aunque también puede usarse para la guerra. Así, el Proceso Haber ayudó a alimentar a millones de personas pero, al mismo tiempo, tuvo algunas responsabilidades en la muerte no de miles sino de millones de personas en las dos guerras mundiales. Éste es un ejemplo de cómo la ciencia puede ser usada para el bien o para el mal.

Ilustración de Fortunino Matania (italiano, 1881 - 1963) para el diario The Sphere de Londres, Inglaterra

Una de las principales razones por las cuales Alemania perdió la Primera Guerra Mundial no fue por la escasez de explosivos sino porque el ejército usó tal cantidad de compuestos nitrogenados que no quedaron suficientes para los agricultores. Entre 1917 y 1918 las cosechas fueron desastrosas. Irónicamente, en el país en donde se encontró la solución al problema del nitrógeno, escaseaba el trigo y la gente moría de hambre.

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El cemento El cemento Portland es una mezcla de silicatos de calcio, aluminato de calcio, óxidos de calcio y mineral de hierro obtenida artificialmente por la calcinación de caliza y arcilla. Algunas canteras contienen los compuestos básicos en la proporción adecuada para fabricar un buen cemento. En cualquier caso, es necesario el análisis previo de la mezcla, antes de su pase al horno, por si hubiera que agregar algún componente.

Fraguado del cemento El cemento mezclado con agua, arena y grava (hormigón) experimenta un primer fraguado que le da cierta resistencia dentro de las primeras 24 horas. Este proceso consiste en una deshidratación del aluminato de calcio y en la posterior hidrólisis (descomposición por el agua) dando hidróxido de calcio (CaOH2) e hidróxido de aluminio (AlOH3). El fraguado definitivo tarda un mínimo de un mes, tiempo en el cual la mezcla adquiere gran dureza y resistencia.

107

Mina de cal

Óxido de calcio El óxido de calcio, CaO, está entre las diez sustancias químicas industriales más importantes. Se prepara por calcinación del carbonato de calcio. La piedra caliza y las conchas marinas son las posibles materias primas. CaCO3(s)

900ºC

CaO(s) + CO2(g)

El óxido de calcio se conoce comercialmente como cal viva o simplemente cal. Gran parte del óxido de calcio producido es utilizado en la obtención de hierro por reducción de sus menas en un alto horno, las cuales contienen óxidos de hierro con impurezas de silicatos. Se agrega una carga de mena de hierro, carbón y óxido de calcio por la parte superior del horno y por el fondo fluye una corriente de aire comprimido. El objetivo del óxido de calcio es combinarse con el dióxido de silicio (arena) y las impurezas de silicatos que hay en la mena de hierro para producir un material vítreo (llamado ganga). Ésta se funde y fluye por el fondo de donde se extrae. La reacción ocurre entre el óxido básico (óxido de calcio) y un óxido ácido (dióxido de silicio), por ejemplo. CaO(s) + SiO2

CaSiO3(l)

óxido básico óxido ácido

silicato de calcio (ganga)

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Los productos cerámicos y el vidrio Se supone que la cerámica surgió, entre las civilizaciones primitivas, como resultado del endurecimiento de objetos de barro puestos al fuego. Los hallazgos más antiguos se remontan a unos 5 500 años a.C. El vidrio apareció mucho después, en torno al año 3 000 a.C.

Los productos cerámicos La cerámica es producto de la calcinación de la arcilla (barro cocido). La arcilla es una roca sedimentaria y blanda que contiene principalmente feldespato (KAlSi3O8). La acción del agua y del dióxido de carbono elimina lentamente el potasio y queda la arcilla pura o caolín, término de origen chino. Con esta arcilla, de color blanco, se fabrica la loza o porcelana de calidad. Las arcillas impuras contienen, además de caolín, compuestos de hierro, carbonato de calcio y carbonato de sodio. Los objetos cerámicos moldeados con esta arcilla, como cazuelas, cántaros, tejas y ladrillos, al ser cocidos adquieren un color rojizo debido a los óxidos de hierro.

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Ánfora de cerámica. Antigua Grecia (s. VI a.C). Museo de Arqueología Old Fulling Mill, Inglaterra.

Después de la primera cocción la cerámica es porosa. Para hacerla impermeable a los líquidos se la barniza con una pasta de caolín y sílice, previamente pulverizados, y se cuece de nuevo. La decoración en color de la porcelana se lleva a cabo con pinturas de óxidos metálicos, seguida de una última cocción.

El vidrio Aunque a veces se le llama cristal, el vidrio es un material amorfo, es decir, sin estructura cristalina. Básicamente es un silicato de sodio y de calcio que se obtiene al fundir una mezcla de sílice, carbonato de calcio y carbonato de sodio. Tal es el vidrio básico que es empleado en la fabricación de cristales para ventanas.

¿Sabías que...? El vidrio Pyrex, que contiene además boro y aluminio, posee un coeficiente de dilatación pequeño y, por tanto, es relativamente más resistente al “choque térmico” (cambios bruscos de temperatura) que normalmente provoca la ruptura de otro tipo de vidrio de composición diferente. Por ello se utiliza para fabricar vasos de laboratorio y bandejas para el horno. El vidrio con aplicaciones ópticas y un alto contenido de plomo presenta un índice de refracción mayor.

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Nomenclatura de productos químicos inorgánicos

Sales Para las sales, la IUPAC recomienda el uso de la nomenclatura Stock cuando el número de oxidación del metal es variable: cloruro de hierro (II) y cloruro de hierro (III).

Aunque que te parezca fastidioso es fundamental saber cómo nombrar los productos químicos porque no hay otro modo de utilizar el lenguaje de la química. De la misma manera en que hay que memorizar las letras del alfabeto para poder escribir las palabras o los números telefónicos a fin de comunicarnos, es necesario hacer un ejercicio de memoria para retener las reglas del lenguaje químico.

Óxidos El sistema tradicional nombra el compuesto con la palabra “óxido” cuando es metálico, si el óxido es no metálico la IUPAC recomienda la nomenclatura de base estequiométrica, por ejemplo: dióxido de carbono, trióxido de azufre.

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Hidróxidos Los hidróxidos se escriben bajo las reglas del sistema Stock. Ejemplos: hidróxido de sodio, hidróxido de calcio, hidróxido de hierro (II), hidróxido de hierro (III).

Ácidos Se nombran de acuerdo con la nomenclatura tradicional. El hidrógeno en un ácido se combina con número de oxidación +1. El nombre del compuesto se inicia con la palabra “ácido” seguido del nombre con los sufijos: “ico” si el anión que acompaña al hidrógeno termina en “ato”; “oso” si el anión termina en “ito” e “hídrico” si el nombre del anión tiene como sufijo “uro”.

Importante La IUPAC recomienda, desde hace mucho tiempo, no utilizar el término anhídrido en el caso de óxidos no metálicos; se sugiere la nomenclatura de base estequiométrica en lugar de la tradicional. Por tanto hay que recordar que se debe decir dióxido de carbono en lugar de anhídrido carbónico.

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Sistemas de nomenclatura para sustancias inorgánicas Sistema tradicional Usa los prefijos hipo y per, así como los sufijos oso e ico en combinación con el nombre del metal o no metal para dar a conocer el número de oxidación con el que se están combinando.

Sistema Stock Usa el número de oxidación en número romano dentro de un paréntesis después del nombre del metal o no metal. Si el elemento tiene un solo número de oxidación, no se le coloca ningún número.

Sistema de base estequiométrica Usa el número de átomos enlazados, los cuales pudieran constituir el número de oxidación de los elementos combinados.

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¿Sabías que...? El Sistema Stock es llamado así en memoria del químico alemán Alfred Stock (1876-1946).

Ejemplos de nomenclatura de compuestos inorgánicos utilizando los tres sistemas de nomenclatura Tipos de compuestos

Fórmula de los compuestos

Sistema tradicional

Sistema Stock

Sistema de base estequiométrica

Óxidos

MgO SO3

Óxido de magnesio Anhídrido sulfúrico

Óxido de magnesio Óxido de azufre (VI)

Óxido de magnesio Trióxido de azufre

Hidróxidos

Al(OH)3 Cu(OH)2

Hidróxido de aluminio Hidróxido cúprico

Hidróxido de aluminio Hidróxido de cobre (II)

Trihidróxido de aluminio Dihidróxido de cobre

Sales

Al2(SO4)3 CaCO3

Sulfato de aluminio Carbonato de calcio

Sulfato (VI) de aluminio Carbonato de calcio

Ácidos

H2SO4 HCl

Ácido sulfúrico Ácido clorhídrico

Sulfato (VI) de hidrógeno Cloruro de hidrógeno

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Flujograma para nombrar algunos compuestos inorgánicos ¿La fórmula comienza con H? SÍ

NO

Es un ácido ¿Comienza con un metal que tiene más de un número de oxidación? NO

NO

Dé el nombre del metal seguido por el número de oxidación escrito entre paréntesis y en números romanos.

¿La fórmula contiene un ión poliatómico?

NO

¿El ácido contiene un ión poliatómico?

Sustituya la terminación “uro” del ión por “hídrico” y anteponga la palabra “ácido”.

¿El ión poliatómico finaliza en “ato” o en “ito”? Escriba el nombre del ión poliatómico y luego agregue el nombre del metal.

ato

ito

Escriba el nombre del ión poliatómico reemplazando la terminación “ato” por “ico”. Anteponga la palabra “ácido”.

Escriba el nombre del ión poliatómico reemplazando la terminación “ito” por “oso”. Anteponga la palabra “ácido”.

¿Uno de los elementos en la fórmula es oxígeno? SÍ

NO

¿El otro elemento es un metal? SÍ

Escriba primero “óxido de” y luego el nombre del metal con el número de oxidación entre paréntesis y en números romanos.

NO

A la palabra “óxido” colóquele el prefijo apropiado: mono, di, tri, etc. Luego, al nombre del elemento unido al oxígeno agréguele también el prefijo correspondiente pero sin incluir “mono”.

¿Ambos elementos son no metales? NO

A la raíz del no metal agréguele la terminación “uro” y luego escriba el nombre del metal.

A la raíz del nombre del elemento que aparece a la derecha en la fórmula agréguele el prefijo correspondiente: mono, di, tri, etc., y el sufijo “uro”. Al elemento de la izquierda, colóquele también el prefijo apropiado pero sin incluir “mono”.

Robson, D. (1983). Flow chart for naming inorganic compounds. Journal of Chemical Education, 60 (2), 131.

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CapĂ­tulo VI:


El mundo de la química

Las transformaciones químicas Del Universo al Sistema El Universo es inmenso, aún sabemos muy poco de él. En realidad, nuestra atención solamente se centra en una porción del Universo donde queremos realizar algunas mediciones o algunas experiencias. A la porción específica del Universo que decidimos estudiar la llamaremos “sistema”, a todo aquello que la rodea “entorno” y a la suma de ambas partes: el Universo. A menos que se logre aislar totalmente al sistema con respecto a la propiedad que se desea observar o medir, éste siempre interaccionará, en mayor o menor grado, con su entorno. El sistema escogido debe ser caracterizado y delimitado de modo inequívoco; de esta forma sabremos a qué nos estamos refiriendo. La precisión en la caracterización del sistema es ante todo una manera de simplificar el estudio. Si escogemos como sistema el líquido presente en un vaso, debemos decir cuál es su naturaleza, si está puro o es una disolución. Si es una disolución, hay que señalar cuáles son los solutos y cuál es la concentración de cada uno en esa disolución. Hay que informar el volumen, la masa, la temperatura y otras propiedades físicas y químicas que ayuden a caracterizarlo. Para delimitarlo sirven el vaso y la superficie del líquido. Obviamente, este sistema interacciona con el medio, así por ejemplo, si lo metemos en una nevera el sistema perderá energía por la disminución de la temperatura.

Fascículo 15


Un mundo de moléculas Sea cual sea nuestro sistema escogido, estará compuesto por materia y energía y lo formarán entidades que son partículas o unidades materiales (moléculas, átomos, iones, electrones, protones, neutrones) e inmateriales como fotones, etc. Los átomos rara vez se encuentran solos. Igual ocurre con las partículas con carga (iones y electrones, entre otras). Los átomos y los iones tratarán de agruparse formando moléculas de tamaño variable. Algunas de esas moléculas, como las de los gases conocidos, son microscópicas e invisibles al ojo humano, pero otras, menos convencionales, llegan a ser gigantes y observables a simple vista, como ocurre con los cristales y los polímeros. Constelación de Orión

114 Comic: La química y la vida. Autor: Expoquimia. Feique. Madrid, 2002.

Un mundo cambiante En la naturaleza continuamente ocurren cambios. Las plantas verdes absorben dióxido de carbono y agua para producir oxígeno y azúcares. Los químicos transforman compuestos provenientes del carbón y del petróleo en miles de otros compuestos. Las sustancias reaccionantes se convierten en productos. Los materiales se transforman, natural o artificialmente, para producir nuevos materiales. Átomos, iones, electrones, fotones y, sobre todo, las moléculas son los protagonistas de estos cambios. Las variaciones de energía que ocurran en los sistemas y sus entornos (a las cuales nos referiremos en otro fascículo), o de entropía en el universo, dirigirán el sentido de los cambios.

Cristales artificiales obtenidos de la transformación del bismuto (Bi)

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Visión cualitativa de la correlación macro-micro. La clave: Su indispensable estructura Los materiales que conocemos son mayormente mezclas. Esas mezclas están formadas por sustancias cuyas propiedades determinan cómo deben ser las entidades que las forman y cómo éstas están organizadas. Por ejemplo, si una sustancia conduce la corriente eléctrica, las entidades que las forman deben tener cargas eléctricas que se muevan sin dificultad. Por todo esto es muy importante conocer la composición y estructura de cada entidad, especialmente la de las moléculas. William Thomson (Lord Kelvin, 1824-1907) estuvo convencido de que fenómenos tales como la electricidad, el magnetismo, el calor (que por muchos años se explicaron asumiendo la existencia de fluidos) eran más bien la consecuencia de la existencia de un material invisible en movimiento.

115 Esta estatua de Lord Kelvin se encuentra ubicada frente a la Universidad de Glasgow, Inglaterra, en la cual fungió de vice-rector.

Cada molécula está formada por uno o más átomos. Los tipos de átomos y el número de átomos de cada tipo dentro de una molécula constituyen su fórmula molecular. Estos átomos se enlazan entre sí de acuerdo con una secuencia y la representación espacial de la misma lleva a la fórmula estructural. Fórmula estructural de la alanina (aminoácido)

La fórmula molecular es una expresión cualitativa (qué tipo de átomos) y cuantitativa (cuántos de cada tipo) de la unidad estructural. En ocasiones, se da el caso de que dos o más sustancias tienen la misma fórmula molecular, sin embargo, poseen estructuras diferentes que les confieren propiedades totalmente distintas. A este fenómeno se le llama isomería. Cuando se determina la fórmula estructural de cada una, se explican las diferencias. Los químicos disponen hoy en día de diversos recursos, como la espectroscopía, para determinar estructuras.

Amplificador del espectro físico regenerado. Fuente: www.phy.hw.ac.uk/ resrev/nlo/pump-probe.html

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Las fórmulas químicas Fórmula molecular

C2H6O

Fórmula estructural (representación plana: dos dimensiones)

H H C H

H C O H

Fórmula estructural (representación espacial: tres dimensiones)

Nombres y propiedades

Alcohol etílico O H

H

H

C

H

C H

H

H

CH3 – CH2 –OH

Su temperatura de ebullición estándar, a presión de 1 atm, es 78 °C, por lo que es un líquido a temperatura ambiente. Sus moléculas se atraen con cierta fuerza debido a puentes de hidrógeno que se establecen entre los oxígenos de una molécula y los hidrógenos, unidos al oxígeno, de otra. Por esa razón es muy soluble en agua. Este alcohol es el que se encuentra en las bebidas alcohólicas producto de la fermentación del azúcar.

C2H6O

H H C H

H O C H H

H

H

C H

H

H

C

54,5º

O

H

CH3 – O – CH3

Éter metílico Su temperatura estándar de ebullición, a presión de 1 atm, es -24 °C, por lo que es un gas a temperatura ambiente, e indica que las fuerzas de atracción entre sus moléculas es muy débil. No forma puentes de hidrógeno, sin embargo, es soluble en agua pues pueden formarse puentes entre los oxígenos del éter y los hidrógenos del agua. Éste no es el éter que se utiliza como anestésico en las operaciones.

En la representación plana se dibujan todos los átomos en un mismo plano (el del papel). La mayoría de las moléculas no son planas, de hecho, estas dos no lo son. En la representación espacial las líneas de enlace continuas indican los átomos que se encuentran en el mismo plano. Las punteadas terminan en los átomos que están por debajo del plano del papel y forman un ángulo de 54,5 º con él. Las otras líneas terminan en los átomos que se encuentran por encima del plano del papel. Forman el mismo ángulo de 54,5 º.

En ocasiones es difícil precisar el número de átomos que se agrupa. Un ejemplo sencillo es el del cloruro de sodio. Esta sustancia no está integrada por moléculas convencionales. Primero, porque no está formada por átomos (Na y Cl) sino por iones (Na+ y Cl-). Además, cada ión se rodea por un número de iones de carga contraria (seis en el caso del cloruro de sodio), por lo que se establecen estructuras sólidas formadas por un número inmenso de entidades ordenadas, en suma, un cristal. Así, cuando se escribe la fórmula NaCl no debe leerse como una unidad material que está integrada por un Na+ y un Cl-, sino por un número variable de estos iones, pero en igual cantidad de ambos y en una relación de 1:1.

Ilustración de la celda unidad del cloruro de sodio Ión cloruro (Cl-) Ión sodio (Na+)

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Visión cuantitativa de la correlación macro-micro. La clave: El prodigioso mol En el capítulo II aclaramos que las propiedades y fenómenos macroscópicos que observamos no son producidos por una molécula, sino por cuatrillones (1024) de ellas. Las propiedades que observamos en un sistema dependen tanto del tipo de entidades que los forman como del número de las mismas. El color, el sabor, la textura, la fusión y la dureza no se alcanzan a percibir si no están presentes cantidades inmensas de entidades. ¿Sabes cuántas moléculas hay aproximadamente en una cucharada de agua? ¡5 x 1023! Presentar la cantidad de sustancia en moléculas de agua es muy poco conveniente, es preferible expresarla en cuatrillones, para lo cual sólo debemos dividir por 1 x 1024: 5 x 1023 moléculas / (1 x 1024) = 0,5, es decir medio cuatrillón de moléculas de agua en una cucharada. En química se prefiere expresar la cantidad de sustancia en moles más que en cuatrillones de partículas. Para ello basta con dividir el número de entidades entre un número muy cercano a un cuatrillón: 6,02 x 1023 (0,602 de cuatrillón).

117

5 x 1023 moléculas / (6,02 x 1023) = 0,8 mol de moléculas de agua en una cucharada de agua.

6,02 x 1023 = 602 000 000 000 000 000 000 000. Para no volver a escribir este número gigantesco, lo sustituiremos por el símbolo NA (número de Avogadro). Así, escribiremos: N(entidad) / NA = n(entidad) donde N representa al número de entidades y n a la cantidad de entidades expresada en la unidad mol. A la cantidad de sustancia que contiene un número de entidades (N) igual a NA la llamamos mol. Esas entidades pueden ser moléculas, átomos, iones, electrones... Una molécula de dicloro (Cl2) se forma a partir de dos átomos de cloro (Cl). Luego, en cualquier cantidad de la sustancia química que llamamos cloro, n(Cl2), habrá una cantidad de átomos, N(Cl), que será el doble de la cantidad de moléculas, N(Cl2). N(Cl) = 2 N(Cl2) Si divides entre NA ambos miembros de la igualdad anterior, llegarás a: n(Cl) = 2 n(Cl2)

Moléculas de sal vistas a través de un microscopio

Si este número de moléculas, N(Cl2), fuese igual a NA, entonces la cantidad de sustancia, n(Cl2), sería 1 mol. De igual manera, si N(Cl2) fuese igual a 3 NA, la cantidad de sustancia, n(Cl2), sería 3 mol.

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Apoyo didáctico Entre los números de entidades se pueden establecer relaciones de igualdad, como se acaba de hacer, pero no entre las entidades mismas. Es importante que el profesor procure la interpretación correcta del lenguaje químico. Por ejemplo, es frecuente decir que una molécula de dicloro está formada por dos átomos de cloro. Pero es incorrecto señalar que una molécula de cloro es igual a dos átomos de cloro. Hay que insistir en que átomos y moléculas de cloro son entidades diferentes. De ser lo mismo, estaríamos omitiendo el enlace entre los átomos que le confiere más estabilidad a la molécula que a los átomos por separado. Por tanto, cuando una molécula es separada en sus átomos, no es como partir una manzana en dos, donde obtenemos dos medias manzanas. ¡No! Lo que se obtiene son dos entidades con propiedades muy diferentes a las de la entidad de la cual se originaron.

Para pensar 118

¿Podríamos hablar de un mol de piedras o de un mol de casas?

¿Sabías que...? El concepto de molécula tiene menos de dos siglos. Fue utilizado por primera vez por Avogadro, en 1811, para explicar los resultados experimentales de Gay Lussac enunciados en la Ley de los Volúmenes de Combinación que no pudieron ser explicados ni por Dalton ni por el mismo Gay Lussac. El término mol que viene de la palabra latina “mole”, que significa “pila” (de montón), “lote”, “masa”, fue utilizado por primera vez en 1896 por el químico alemán Wilhelm Ostwald (1853-1932), pero con un significado totalmente diferente al actual. En 1900 Blanchard y Wade relacionaron el vocablo mol con la Ley de Avogadro. Molécula es un diminutivo de “mole”.

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Cantidad de materia y cantidad de sustancia: Dos propiedades diferentes pero relacionadas La cantidad de sustancia (n) que se expresa mediante la unidad mol es ditinta a la cantidad de materia o masa (m) que se expresa utilizando unidades como gramo (g), kilogramo (kg) o miligramo (mg). A esa cantidad de sustancia (n) se le puede medir su masa (m) en una balanza. Si bien n y m son distintas, están directamente relacionadas por una constante denominada masa molar (M) que tiene un valor característico para cada entidad: m(entidad) = M(entidad) x n(entidad). Así, para la entidad moléculas de cloro se tiene: m(Cl2) = M(Cl2) x n(Cl2). Frecuentemente m se expresa en g y n en mol. Luego, la unidad para M es g/mol.

119

Para pensar 1 kg de hierro y 1 kg de aluminio poseen la misma masa (cantidad de materia), pero no tienen la misma cantidad de sustancia (n), pues M para el hierro (55,85 g/mol) es casi el doble que M para el aluminio (26,98 g/mol). Por lo tanto, tampoco hay la misma cantidad de entidades (N) en 1 kg de hierro y en 1 kg de aluminio. En ambos casos, las entidades son átomos enlazados formando sistemas metálicos.

Recuperación de aluminio y hierro

Entonces,¿cuáles de las siguientes afirmaciones son verdaderas y cuáles falsas? ( ) La cantidad de sustancia en 1 kg de aluminio es casi el doble de la que hay en 1 kg de hierro. ( ) La cantidad de entidades en 1 kg de aluminio es la mitad de las presentes en 1 kg de hierro. ( ) El hierro es más denso que el aluminio, pues la misma masa requiere de un menor volumen. Comparte con tu profesor tus respuestas.

Apoyo didáctico Número de entidades y cantidad de sustancia no es lo mismo Es importante que el profesor llame la atención de sus alumnos sobre el hecho de que el número de sustancias se representa siempre con un número entero. Por ejemplo, el sistema puede estar formado por 10 átomos, jamás por 10,5 átomos: esto no tiene sentido químico. La cantidad de sustancia sí puede ser representada por un número no entero, por ejemplo, 1,5 mol de átomos. Esto significa que el número de átomos en el sistema es: N(átomos) = 1,5 NA = 1,5 x 6,02 x 1023 átomos = 9,03 x 1023 átomos.

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El nivel microscópico: Asignación de masas a los átomos y a las moléculas Los átomos tienen masas muy pequeñas que no son fáciles de determinar directamente. Además, no todos los átomos de un mismo elemento tienen la misma masa. Lo que se ha hecho es asignar un valor promedio a los átomos pertenecientes a un elemento, escogido como patrón, y la masa promedio de los átomos de otro elemento se determina con relación a la del patrón. El patrón es el isótopo 12 6 C de masa 12,00 u. Así, la unidad de masa atómica (u) es un doceavo (1/12) de la masa de un átomo del isótopo 12 6 C.

Átomo de carbono visto en un microscopio de túnel de barrido

El 99% de los átomos de carbono tiene una masa cercana a 12,00 u y el 1% a 13,00 u. Entonces la masa promedio de los átomos de carbono es: (12,00 u • 99 + 13,00 u • 1)/100 = 12,01 u.

120

En la escala del carbono, la masa promedio de los átomos del elemento magnesio (Mg) es 24,31 u. Luego, un átomo de Mg promedio tiene casi el doble de la masa que la de un átomo de C promedio. Mencionamos la palabra promedio para el magnesio porque hay tres isótopos de magnesio, tres tipos de átomos de Mg y cada tipo tiene diferente masa.

¿Sabías que...? Existen también átomos de carbono con masa 14 u. Ellos se forman en las capas atmosféricas superiores debido a la acción de los neutrones de alta energía sobre los átomos de nitrógeno. Estos átomos no son estables (son radioactivos) y muy lentamente se van descomponiendo.

Para pensar La masa promedio de un átomo de cloro con relación al patrón es 35,45 u. ¿Cómo es la masa promedio de un átomo de Cl con relación a la de un átomo de C-12: mayor o menor? Hay átomos de Cl de masa 34,97 u y átomos de Cl de masa 36,97 u. Si la masa promedio es 35,45 u, ¿de cuáles átomos hay más, de los de masa 34,97 u o de los de masa 36,97 u? En la naturaleza, el elemento cloro se presenta en forma molecular Cl2. ¿Cuál es la masa promedio de una molécula de cloro: 69,94 u, 70,90 u, 71,94 u o 73,94 u? Consulta a tu profesor si tienes dudas.

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Water Lilies, 1906. Claude Monet, pintor francés (1840-1926).

El mundo de la química

Capítulo VI: Las transformaciones químicas El nivel macroscópico: Masas molares Cada molécula de agua (H2O) posee una masa promedio de 18,02 u, ya que cada átomo de hidrógeno tiene una masa promedio de 1,01 u y cada átomo de oxígeno una masa promedio de 16,00 u. ¿Cuál es la masa de NA moléculas de agua? Fácil: NA veces la masa de una molécula de agua, es decir, NA x 18,02 u que es lo mismo que 18,02 NA u. Si definimos NAu = g, entonces la masa de un mol de agua (esto es, la masa de NA moléculas de agua) es 18,02 g. A la masa de un mol de entidades la denominamos masa molar y es la constante M que relaciona n y m. Como puedes ver, la masa de una entidad y la masa molar para el mismo tipo de entidad tienen el mismo valor numérico pero difieren en la unidad: la primera se expresa en u y la segunda en g. Puedes darte cuenta de que u tiene un valor muy pequeño, como lo puedes constatar partiendo de la expresión NAu = g. Basta con despejar u: u = g/NA = g/(6,02 x 1023) = 1,66 x 10-24 g

Para pensar La masa promedio de un átomo de nitrógeno es 14,00 u y la de uno de hidrógeno ya sabes que es 1,01 u. Entonces, ¿cuál es la masa molecular del tan conocido compuesto amoníaco (NH3)? ¿Cuál es la masa molar del mismo compuesto? ¿Cuál es la masa de tres moles de amoníaco?

Fascículo 16


Misión de las moléculas: Cambiar en busca de la estabilidad Tanto los átomos como los iones se enlazan buscando estabilidad; de la misma manera, las moléculas se transforman en busca de una estabilidad mayor a la que tienen. Bajo determinadas condiciones favorables, unas moléculas se transforman en otras. Las últimas (productos) son más estables que las primeras (reaccionantes) en las condiciones impuestas. Los cambios pueden ir desde simples calentamientos (o enfriamientos); expansiones (o compresiones); cambios donde la estructura intermolecular (entre moléculas) se afecta ligeramente; transformaciones de estado físico (donde la estructura intermolecular se afecta notablemente), hasta llegar a las reacciones químicas, donde la estructura intramolecular cambia. En este último caso se dice que ha ocurrido un cambio químico. Por cierto que estos cambios químicos no siempre son fáciles de observar. La figura siguiente ilustra la estructura intramolecular e intermolecular de un sistema formado por moléculas de agua en los estados gaseoso, líquido y sólido. Además se ilustran los cambios al descomponerse las moléculas de agua y formar moléculas de dioxígeno y dihidrógeno.

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Aquí puedes ver seis moléculas de colocadas a tal distancia (estado gaseoso) como para interactuar entre sí. Es importante aclarar que si ese fuese el tamaño de una molécula la distancia entre ellas sería muchísimo mayor. La estructura intramolecular muestra los enlaces O-H de las moléculas de agua.

En un intervalo de presión y temperatura, las moléculas del agua en estado líquido están lo suficientemente próximas como para interactuar a través de puentes de hidrógeno entre los oxígenos de unas y los hidrógenos de otras. La energía existente en el estado líquido permite que las moléculas se acerquen y se alejen rompiendo y formando puentes constantemente. Los puentes determinan la estructura intermolecular del estado líquido.

En el estado sólido, los puentes están presentes pero las moléculas de agua no poseen la energía interna necesaria para romperlos. Se tiene una estructura rígida que deja huecos internos que justifican el hecho de que el agua sea una de las pocas sustancias donde el sólido es menos denso que el líquido, por lo cual el hielo flota sobre el agua. En el estado sólido existen una estructura intramolecular y una intermolecular bien definidas. Los puentes aparecen en color rojo. Puedes notar que cada molécula forma puentes con cuatro moléculas.

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Las seis moléculas de agua al ser descompuestas, por ejemplo por la electricidad, modifican su estructura intramolecular dando origen a tres moléculas de oxígeno y seis de hidrógeno. Los enlaces O-H fueron sustituidos por enlaces H-H y O=O. Hidrógeno Oxígeno

¿Cómo sabemos cuándo ha ocurrido una reacción química? Nuestros sentidos perciben que ha ocurrido una reacción química a través de una o más señales: cambios de color, desprendimiento de gases, formación de sólidos en un medio líquido, desprendimiento de calor con el consiguiente aumento de temperatura y absorción de calor y, por tanto, disminución de temperatura.

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Los cambios químicos se rigen por leyes Todas las reacciones químicas obedecen a leyes que fueron enunciadas hace aproximadamente dos siglos. Eran los años en que se empezaba a delinear lo que serían los conceptos fundamentales de la química.

Una ocasión para experimentar Sobre una cucharadita de bicarbonato de sodio (NaHCO3) agrega unas gotas de jugo de limón (ácido cítrico) o de vinagre (ácido acético) y observa lo que ocurre. ¿Qué señal te indica que ha ocurrido una reacción? Corta una papa, una manzana o un cambur en dos y déjalo unos minutos a la intemperie. ¿Qué te hace pensar que ha ocurrido una reacción? Sumerge un clavo de hierro en agua. Déjalo unas horas y observa. ¿Qué indicador tienes de que ha ocurrido una reacción? Es importante advertirte que no te emociones y comiences en tu casa a mezclar productos de limpieza, pues la reacción entre ellos puede producir sustancias altamente tóxicas.

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Ley de Conservación de la Masa Enunciada por Antoine Lavoisier en 1789, esta ley establece que cuando ocurre una reacción química la masa se mantiene constante. Es decir, la masa después de la reacción es igual a la masa antes de la reacción. Cuando años después, en 1808, Dalton formuló su teoría atómica, pudo explicar esta ley a través del concepto de la indestructibilidad de los átomos. Si los átomos son indestructibles, al ocurrir una reacción química lo que se produce es un rearreglo de los átomos, sin que haya variación en la cantidad de materia (masa). Es importante destacar que este rearreglo no es tan simple pues implica consumo o producción de energía y la aparición, en el sistema, de propiedades totalmente diferentes. Hoy en día sabemos que, cuando ocurre una reacción química, lo que se mantiene constante es la energía del “universo” y que en determinadas circunstancias pueden suceder cambios en la masa. Sin embargo, excepto en las denominadas reacciones nucleares, donde ocurre una modificación del núcleo de los átomos involucrados, la variación de masa en el resto de las reacciones químicas es insignificante e imperceptible.

John Dalton, químico inglés (1766-1844)

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Un poco de historia Antoine Lavoisier, químico francés nacido en 1743, se graduó de abogado como su padre, pero su interés estuvo desde pequeño en la ciencia; de hecho a los 25 años ingresa a la Academia de Ciencias. En 1871 se casa con una joven de sólo 14 años (Marie Anne Paulze), quien se convertiría, como ayudante de laboratorio, en apoyo de sus investigaciones, traductora, dibujante y secretaria. Lavoisier estudió las reacciones de combustión y calcinación, cuyos resultados le permitieron terminar con la Teoría del Flogisto que había propuesto Georg Stahl en 1703. Este estudioso hizo de la química una ciencia cuantitativa al utilizar la balanza en sus experimentos. Ante los confusos nombres que se usaban para elementos y compuestos, Lavoisier, junto con Berthollet, De Morveau y Fourcroy realizaron aportes para establecer una nomenclatura química aún comprensible para nosotros. Lavoisier no sólo se dedicó a la química sino que también hizo contribuciones en otros campos del saber: fisiología, agricultura, economía, educación. En 1794, durante los años del terror que acompañaron a la Revolución Francesa, Lavoisier fue tristemente guillotinado por haber sido recaudador de impuestos. Antoine Lavoisier es considerado el padre de la química.

Instrumentos del laboratorio de Lavoisier

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Medir y cuantificar, ¿para qué? Instrumentos del laboratorio de Lavoisier

Ya desde el siglo XVIII en adelante no bastará con descubrir nuevas sustancias, ni describir y reconocer reacciones. Medir va a ser clave en el desarrollo de la Teoría Atómica y de la química. Las mediciones de masa y volumen abren la puerta hacia una nueva visión de la materia. El efecto producido por una reacción no depende sólo de lo que reacciona sino también de las cantidades que reaccionan. Un poco más de sal transforma el sabor de una comida de agradable en desagradable. En muchos casos, un ligero exceso puede transformar un producto inocuo o beneficioso en nocivo. Pero además, medir y cuantificar facilita comunicar y reproducir los resultados. ¿Te imaginas hacer una torta sin que te digan las cantidades de cada ingrediente que debes utilizar?

125 Ilustración de pesos y medidas en Olai Magni Historia de Gentibus Septentrionalibus Diversos patrones de medición de longitud a través del tiempo. De abajo hacia arriba: El Pie del Rey, el Pico de Constantinopla (Istambul), una Vara, una media-toise inglesa de Graham (1737), Aune étalon de Paris, (1554), Aune de Paris, (1746), el metro, (18001804). Fuente: Museo de Artes y Labores, Francia.

¿Sabías que...? El resultado de una medición se expresa mediante un número seguido de una unidad: t = 9s. Existen distintas unidades para una misma propiedad, lo cual ocasiona muchas veces dificultades en la interpretación. En 1960, el Comité Internacional de Pesas y Medidas adoptó el Sistema Internacional de Unidades (SI) el cual, hoy en día, es el utilizado por la mayoría de los países. Una de las grandes ventajas del SI es la de ser un sistema decimal. Para cada propiedad y para cada unidad se estableció un símbolo; así para la cantidad derivada del volumen su símbolo es V y el de su unidad es m3, en este caso, sin embargo, también se acepta para su unidad el símbolo L (litro). Nuestro país se acogió al SI según consta en la Gaceta Oficial Extraordinaria N° 2 823 del 14 de julio de 1981.

Unidad de longitud (metro). Unidad de masa (kilogramo). Este prototipo internacional, realizado en una aleación de platino e iridio, se mantiene en el Museo de Pesas y Medidas bajo condiciones específicas desde 1889.

Construcción del prototipo internacional en una aleación de platino e iridio, que se mantiene en el Museo de Pesas y Medidas bajo condiciones específicas desde 1889. Actualmente el patrón es la longitud de onda λ del kriptón.

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Ley de las Proporciones Definidas Establecida por Louis Proust en 1801, expresa que cuando dos o más elementos se combinan para formar un compuesto, siempre lo harán en una relación invariable de masas. Los mismos elementos pueden combinarse para formar más de un compuesto; por ejemplo, el gas natural, tan importante para Venezuela, contiene metano (CH4), etano (C2H6), propano (C3H8), butano (C4H10). Para cada uno de estos compuestos se cumple la Ley de las Proporciones Definidas.

Joseph Louis Proust, químico francés (1754-1826)

En el metano, 12,0 g de carbono reaccionan con 4,0 g de hidrógeno, es decir, en una relación de masas igual a: 3,0 g de C x 1,0 g de H se obtendrán 4,0 g de CH4. En el etano, 24,0 g de carbono reaccionan con aproximadamente 6,0 g de hidrógeno, es decir, en una relación de masas igual a: 4,0 g de C x 1,0 g de H se obtendrán 5,0 g de C2H6 (imagen a la izquierda). Para cada compuesto, la cantidad de producto obtenido varía de acuerdo con las cantidades de reaccionantes que se empleen, pero la proporción o relación de masas será invariable.

Para pensar 126 Molécula de C2H6

El metano en la tierra se formó hace millones de años. Si 6,0 g de carbono logran reaccionar con 4,0 g de hidrógeno, ¿qué elemento queda en exceso y qué masa del mismo: 2,0 g de hidrógeno, 2,0 g de carbono o ninguno de los dos? ¿Qué masa de metano se forma: 10,0 g; 8,0 g o 6,0 g? Comparte tus resultados con tu profesor. A cada momento y en todos los lugares del mundo se está haciendo uso de la Ley de las Proporciones Definidas cada vez que se realiza un examen de orina o de sangre. Muchas veces, la cantidad de una especie molecular o iónica se determina en relación con la cantidad de un reactivo gastado, pues ambas cantidades están en una relación fija e invariable. Por ejemplo, la cantidad de ión cloruro en una muestra de orina podría determinarse por la cantidad de reactivo (ión plata) consumido para formar AgCl. La Ley de las Proporciones Definidas en ocasiones no se cumple; esto ocurre principalmente cuando se forman cristales de óxidos o de sulfuros. Tal hecho se debe, principalmente, a las condiciones impuestas durante la formación del cristal. Ello no es nada inconveniente, por el contrario, dicha condición puede ser aprovechada, por ejemplo, en las distintas coloraciones que se utilizan para decorar cerámicas.

Cristales de óxido de zinc

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Ley de las Proporciones Múltiples Dos elementos, al combinarse, pueden formar más de un compuesto. Las masas de uno de los elementos que se combinan con una cantidad fija del otro lo realizan en una relación de números enteros y sencillos. Este es el enunciado de la Ley de las Proporciones Múltiples (Dalton, 1803). El ácido sulfúrico es uno de los compuestos más importantes que el hombre debe sintetizar, pues este ácido es la base de la producción de muchos más. En este proceso participan dos gases: SO2 y SO3. Sus estructuras y, por tanto, sus propiedades, son totalmente diferentes; sin embargo, entre las cantidades de oxígeno que reaccionan con la misma cantidad de azufre hay una relación muy simple: 2 a 3. La misma que existe entre los números de átomos de oxígeno.

S O

O

Con 32 g de azufre reaccionan 32 g de oxígeno.

Con 32 g de azufre reaccionan 48 g de oxígeno.

Relación entre las cantidades de oxígeno (expresadas en g) que reaccionan con la misma cantidad de azufre.

32 g de oxígeno x 48 g de oxígeno = 2/3

Relación entre las cantidades de oxígeno (expresadas ya sea en entidades o en mol de entidades) que reaccionan con la misma cantidad de azufre.

Por átomo de S: 2 átomos de O x 3 átomos de O = 2/3

127

Por mol de átomos de S: 2 mol de átomos de O x 3 mol de átomos de O = 2/3

Las leyes antes presentadas son conocidas como “leyes ponderales” por expresar relaciones de masa, aunque “ponderal”, en realidad, se refiere a peso más que a masa. Hay que recordar que la masa y no el peso representa la cantidad de materia. El peso es una fuerza, depende de la aceleración de la gravedad y, por tanto, no es constante para una muestra, mientras que la masa sí lo es.

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Ley de los Volúmenes de Combinación Otra ley importante de la química se refiere al volumen. Fue enunciada en 1808 por el químico francés Joseph Louis Gay Lussac. Éste observó que en las reacciones donde intervienen gases, los volúmenes de los reaccionantes y de los productos están en una proporción de números enteros. Para que ello se cumpla es necesario que todos los volúmenes hayan sido medidos en las mismas condiciones de temperatura y presión. Gay Lussac observó, por ejemplo, que un litro de hidrógeno + un litro de cloro producen dos litros de cloruro de hidrógeno. Luego, la relación entre los volúmenes es: 1 a 1 a 2. Estos resultados serían inexplicables suponiendo que el hidrógeno y el cloro fuesen monoatómicos, pero pueden explicarse fácilmente ya que esos gases son diatómicos. ¿Cómo podrían un átomo de hidrógeno y un átomo de cloro formar dos unidades de cloruro de hidrógeno? ¡Tendría que partirse cada átomo en dos y el átomo es indivisible!

Ya que los gases hidrógeno y cloro son diatómicos, cada unidad material está formada por dos átomos. Sus unidades simplemente se separan en sus dos átomos y cada uno de los átomos de cloro y cada uno de los átomos de hidrógeno pasan a formar cada unidad del producto. Así, con una unidad material de hidrógeno y una unidad de cloro se forman dos unidades de cloruro de hidrógeno.

128

Esta interpretación de los resultados de Gay Lussac se debe a Avogadro, pero no fue admitida sino muchos años después, cuando se aceptó el concepto de moléculas. Para ese momento ya Avogadro había muerto.

H

Cl

HCl

La ilustración muestra cómo podrían interpretarse los resultados macroscópicos de Gay Lussac con las concepciones microscópicas de Dalton (derecha) y de Avogadro (abajo). La segunda concuerda con el resultado experimental de que un vol de hidrógeno y uno de cloro producen dos volúmenes de cloruro de hidrógeno.

Cl

H

Cl

HCl

H

HCl

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Estampilla conmemorando el bicentenario del primer ascenso de un hombre en un globo, Gay Lussac, quién se elevó a 4 000 m de altura en 1904. República Centroafricana, 1983.

El mundo de la química

Capítulo VI: Las transformaciones químicas Un poco de historia Joseph Louis Gay Lussac nació en Francia el 6 de diciembre de 1778. Desde pequeño estuvo interesado en estudiar la composición del aire, por lo que ascendió en globo un par de veces en 1804: a 4 000 m y 7 000 m de altura respectivamente. Gay Lussac era amigo de Alejandro von Humboldt, con quien hizo un viaje de carácter científico por Italia y Alemania en 1805. Sus principales trabajos sobre los gases se recopilan en dos leyes: la primera (1802) en la que expresa que el volumen ocupado por un gas es directamente proporcional a la temperatura. El inglés Jaques Charles había llegado al mismo resultado cincuenta años antes, pero no lo publicó. Pero además, Gay Lussac profundizó en este estudio. La segunda ley (1808) es la de los Volúmenes de Combinación, ya expuesta (ver pág. 128, fascículo 16). Fue un investigador incansable y profesor universitario tanto en física como en química. Entre sus muchas contribuciones a la química están el descubrimiento (compartido) de los elementos boro y yodo, sus estudios de los halógenos, el fósforo, los alcalinos y, además, el perfeccionamiento en la fabricación del ácido sulfúrico. Introdujo mejoras en la pipeta y la bureta e inventó el barómetro portátil. Murió en 1850.

Fascículo 17


Ley de Avogadro Avogadro afirmó que volúmenes iguales de gases diferentes contienen igual número de partículas (moléculas, según la terminología introducida por él). Partiendo de esta premisa, en igualdad de temperatura y presión, pudo explicar los resultados experimentales de Gay Lussac, pues en 1 L de H2 hay el mismo número de moléculas que en 1 L de Cl2, mientras que en 2 L de HCl hay el doble de moléculas que en un litro. Así, una molécula de H2 y una de Cl2 forman dos moléculas de HCl. Hoy sabemos que en un litro de cualquier gas a 25 ºC y 1 atm hay, aproximadamente, la gigantesca cantidad de 2,5 x 1022 moléculas, o lo que es igual a 0,041 NA. Luego, si 1 L de H2 reacciona con 1 L de Cl2 para formar 2 L de HCl, entonces 0,041 NA moléculas de H2 reaccionan con 0,041 NA moléculas de Cl2 para formar 0,082 NA moléculas de HCl.

n(H2)

n(Cl2)

n(H2)

nCl2

+

nCl2

El signo = se refiere a la cantidad de sustancia (no a las sustancias), pues dihidrógeno es diferente de dicloro. Además, la temperatura y la presión deben tener valores iguales a ambos lados de la igualdad.

Gay Lussac también observó que 2 L de hidrógeno + 1 L de oxígeno producen 2 L de vapor de agua. Para esta reacción la relación entre los volúmenes es 2 a 1 a 2.

130

Si a 25 ºC y 1 atm hay unas 0,041 NA en un litro de un gas, atrévete a completar la siguiente relación llenando los blancos: 0,082 NA H2 +

O2

H2O.

Comparte tu respuesta con tu profesor.

Un poco de historia Hijo de un conde abogado, Amedeo (o Amadeo) Avogadro nació en Turín, Italia, en 1776. Se graduó y ejerció el derecho, pero tomó clases privadas de matemática y ciencia, incluyendo química. Como puedes ver, hay muchas coincidencias con los inicios de Lavoisier. Fue profesor de media y universitaria. En 1811 formuló su hipótesis, hoy convertida en ley, de la cual se deduce que las masas de las moléculas de dos gases están en la misma relación de sus densidades. Así, asignando un valor a uno de los dos gases, se puede determinar el del otro y el de todos los demás gases. Avogadro concluyó que los gases de los elementos conocidos para su época, no estaban formados por átomos solitarios (moléculas elementales en la terminología utilizada por él) sino por moléculas compuestas. De esta forma logró dar explicación a la Ley de los Volúmenes de Combinación. Avogadro murió en Turín, en 1856, sin que su teoría fuese aceptada, en parte porque vivió en Italia y los círculos científicos más importantes estaban en Francia, Alemania e Inglaterra. En 1860, en el célebre congreso químico de Karlsruhe, otro italiano, Stanislao Cannizzaro, debió recurrir a la hipótesis de Avogadro como única forma de explicar las masas atómicas y moleculares. Avogadro no indicó el número de moléculas presentes en los volúmenes gaseosos. Cuando años después se determinó el número de entidades presentes en la masa molar, en reconocimiento a Avogadro se le dio a ese número su nombre. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo VI: Las transformaciones químicas • fascículo 17


Igualando o balanceando ecuaciones Entre los contaminantes ambientales comunes se encuentran el monóxido de nitrógeno (NO) y el monóxido de carbono (CO). Si en las condiciones necesarias proponemos, hipotéticamente, la posibilidad de llevar a cabo la reacción de estos dos gases para producir N2 (gas con el que vivimos a diario ya que constituye las 4/5 partes, 80% del aire) y CO2 (gas que exhalamos al respirar y que es mucho menos tóxico que el CO y el NO) podríamos mejorar el medioambiente que nos rodea. La ecuación que representa la reacción es: __NO + __CO

__N2 + __CO2

La formación de una molécula de N2 requiere dos átomos de nitrógeno. Como la única sustancia en los reaccionantes que puede proveerlos es el NO y ésta tiene sólo un nitrógeno, harán falta dos moléculas de NO. 2NO + __CO

__N2 + __CO2

Si en los reaccionantes hay tres átomos de oxígeno mientras que en los productos hay dos, habría desaparecido un átomo de oxígeno lo cual sería una violación tanto de la Ley de la Conservación de la Masa como de la Teoría Atómica. Pero si igualamos las cantidades de átomos de oxígeno considerando dos moléculas de CO, entonces se formarían dos moléculas de CO2 y tendríamos dos átomos de carbono y cuatro átomos de oxígeno tanto en los reaccionantes como en los productos. 2NO + 2CO

1N2 + 2CO2

El procedimiento utilizado es un ejemplo de lo que se conoce como balanceo de ecuaciones químicas. Así, cada reacción química debe representarse mediante una ecuación química balanceada. Los números que preceden a los símbolos y fórmulas se denominan coeficientes estequiométricos.

131

Apoyo didáctico La ecuación anterior bien puede representar el nivel microscópico (molecular) o el macroscópico (molar). Así, el coeficiente 1 que precede al N2 puede leerse como 1 molécula o 1 mol (NA = 6,02 x 1023 moléculas). A nivel molecular hay que tener cuidado de que los coeficientes tengan sentido y sobre ello el profesor debe llamar la atención. Por ejemplo, 1/4 N2 no tiene sentido a nivel molecular, pues significaría ya no separar la molécula de N2 en los dos átomos que la forman, sino partir cada átomo en dos. Otro tanto ocurriría con 1/2 molécula de NO, lo cual no tiene sentido pues los átomos que la forman son diferentes. A nivel macroscópico, 1/4 de N2 sí tiene sentido pues 1/4 NA son 1,54 x 1023 moléculas de N2.

Para pensar Te proponemos un problema basado en un tema de suma importancia como es la reducción de las cantidades de contaminantes en la atmósfera. El monóxido de carbono producido por los automóviles es muy tóxico. Una manera de eliminarlo es mediante su combustión con oxígeno para formar dióxido de carbono, mucho menos tóxico que el monóxido de carbono. La ecuación que representa la reacción es: __CO + __O2

2CO2

Coloca sobre las líneas el número de moléculas de CO y O2 que sería necesario para formar dos moléculas de CO2. Si se quieren quemar 4 L de CO, ¿cuántos litros de O2 son indispensables y cuántos litros de dióxido de carbono se emiten al ambiente? Recuerda que asumimos igualdad de presión y temperatura para los gases. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo VI: Las transformaciones químicas • fascículo 17


Una ocasion para experimentar C4H10 + O2

NC=4

H2O + CO2

NH=10 NO=2

2C4H10 + 13O2

NC=8

132

NH=20 NO=26

NC=1

NH=2

NO=3

10H2O + 8CO2

NC=8

La ecuación química que ves corresponde a la combustión del butano. Puedes constatar que no está balanceada. Hazlo tú. Para ello procede en el siguiente orden: primero, iguala el número de átomos de carbono, luego el de hidrógeno y finalmente el de oxígeno. Tómate tu tiempo. Llegarás al resultado que sigue. N representa el número de átomos.

Recuerda que los coeficientes pueden representar tanto moles como moléculas.

NH=20 NO=26

¿Se cumplió eficazmente la misión de las moléculas? Cálculos basados en ecuaciones químicas balanceadas Poder saber, por ejemplo, qué cantidad de una sustancia de forma cuando ocurre una reacción requiere de la utilización de las ecuaciones químicas balanceadas para realizar el cálculo correspondiente. Tal es el objeto de la Estequiometría. Veamos su aplicación en un ejemplo de gran importancia nacional: la obtención del hierro. Como recuerdas por los capítulos anteriores, la gran mayoría de los metales se encuentran combinados en la naturaleza formando minerales que, a su vez, están dispersos en las rocas. Después de separar el mineral que contiene al hierro del resto de la roca, éste es conducido a un alto horno donde el óxido férrico (Fe2O3) del mineral reacciona con el carbono del coque y el oxígeno del aire, tal y como lo expresa la siguiente reacción: 2Fe2O3 + 6C + 3O2

4Fe + 6CO2.

Ella resume las diferentes etapas que hay que atravesar hacia la obtención del hierro. Puedes notar que la ecuación ya está balanceada, pues hay el mismo número de átomos de Fe, O y C antes y después de la reacción.

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Comenzaremos por considerar la información que nos suministra la ecuación balanceada a nivel macro. Esto es, para formar 4 mol (cuatro moles) de Fe se requieren 2 mol de Fe2O3 y 6 mol de C, ¿pero qué cantidad de Fe tiene una masa de 1 000 g? Para dar respuesta a esta pregunta debes hacer uso de la Tabla Periódica, en la cual aparecen las masas molares de cada elemento, es decir, la masa de un mol de átomos de cada elemento. Allí encontrarás que las masas molares de Fe, C y O son: 55,85 gmol-1; 12,01 gmol-1 y 16,00 gmol-1 respectivamente. De acuerdo con lo anterior, 55,85 g es la masa de 1 mol de átomos de Fe, luego 1 000 g es la masa de una cantidad de Fe igual a: 1 000 g x 1 mol de Fe / 55,85 g = 17,91 mol de Fe Como para formar 4 mol de Fe se necesitan 2 mol de Fe2O3 y 6 mol de C, entonces para formar 17,91 mol de Fe se necesitan: Cantidad de Fe2O3 17,91 mol de Fe x 2 mol de Fe2O3 / 4 mol de Fe = 8,96 mol de Fe2O3. Cantidad de C 17,91 mol de Fe x 6 mol de C /4 mol de Fe = 26,87 mol de C.

Bajante Subida de gases Tolva de carga Campana pequeña Gases de alto horno a planta de limpieza

Campana grande Puente de carga (transportador) para cargar el horno con menas, coque y piedra caliza

Capas de menas de hierro, coque y piedra caliza

Carcasa de acero

Revestimiento refractario Conducto de aire caliente Tobera Orificio para desescoriar Hierro fundido Cuchara para escoria

Chorro de aire caliente Escoria Orificio de colada Canal para hierro fundido Carro cuchara para hierro fundido

Sección transversal de un alto horno para la producción de hierro mostrando sus componentes principales

Para pensar Si queremos producir 1 kg de hierro (1 000 g), ¿qué masa de Fe2O3 y de C se deben introducir en el horno?

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Ahora deseamos saber la masa de 8,96 mol de Fe2O3 y de 26,87 mol de C que es lo que se pide en este problema. Masa de C Para el C ya sabemos que la masa de 1 mol de átomos es 12,01 g, así que la masa de 26,87 mol de C es: 26,87 mol de C x 12,01 g de C / 1 mol de C = 322,65 g de C. Masa de Fe2O3 Para el Fe2O3, la masa de un mol de moléculas es dos veces la masa de un mol de átomos de Fe más tres veces la masa de un mol de O, esto es: 2 x 55,85 g + 3 x 16,00 g = 159,70 g. Así la masa de 1 mol de Fe2O3 es 159,70 g, luego la masa de 8,96 mol es: 8,96 mol de Fe2O3 x 159,70 g de Fe2O3 / 1 mol de Fe2O3 = 1 430,91 g de Fe2O3. Las principales fuentes de hierro son la hematina, óxido de hierro (III) hidratado; y la limonita, óxido de hierro (III), representada en la fotografía.

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Del papel a la realidad Seguramente has oído una frase que dice “el papel lo aguanta todo”. Aludimos a esa frase porque las cantidades de coque y de mineral que se necesitan son usualmente mayores que las calculadas. Una primera razón es que ni el coque es puro carbono ni el mineral es puro óxido de hierro (III), Fe2O3, por lo que la cantidad de coque a utilizar es más de 322,65 g y la de mineral es mayor que 1 430,91 g, para garantizar las cantidades de C y de Fe2O3 necesarias para obtener el kilogramo de Fe deseado. Por ejemplo, si el coque tiene un 90% de pureza, esto es, de cada 100 g de coque solo 90 g son de carbono, entonces para garantizar los 322,65 g de carbono se requiere de: 322,65 g de C x 100 g de coque / 90 g de C = 358,50 g de coque. Horno de coque (c. 1880)

Otra razón consiste en que al hacer el cálculo no se toman en cuenta muchos de los factores procedimentales que ocasionan que la cantidad de producto que se obtiene sea menor que la esperada, bien sea porque no se completan las reacciones o porque se dificulta la separación del producto deseado. En nuestro caso, el rendimiento teórico sería 1 000 g de Fe, pero el rendimiento real va a ser menor que ese valor.

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La energía asociada con las reacciones químicas La reacción que acabamos de considerar no se produce a temperatura ambiente sino a muy altas temperaturas. El carbono del coque reacciona con una corriente de aire caliente (a 600 °C) que entra por la parte inferior del horno. El aire contiene dinitrógeno (N2) y dioxígeno (O2), el primero no reacciona con el carbono pero el segundo sí, según se indica en la siguiente ecuación: 2C(s) + O2(g)

Planta de coque Solvay.

2CO(g); q = -221 kJ

Como puedes ver, en esta ecuación química, además de las sustancias que intervienen y sus coeficientes, se ha agregado información sobre el estado físico de cada sustancia y la cantidad de energía en forma de calor que se desprende (signo menos) o se absorbe (signo más) cuando la reacción ocurre. La ecuación química, escrita de esta forma, constituye un ejemplo de las llamadas ecuaciones termoquímicas. Esta información debería acompañarse de la temperatura y la presión a las cuales se lleva a cabo la reacción. Las reacciones que desprenden energía en forma de calor se denominan exotérmicas, mientras que las que absorben energía se conocen como endotérmicas.

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Combinando ecuaciones termoquímicas La gran cantidad de energía que se produce al formarse el monóxido de carbono (CO) aumenta la temperatura interior del horno hasta unos 2 000 °C. Esto muestra que el coque es un buen combustible. Ahora hay suficiente energía y CO para ser utilizados en la obtención rápida del hierro a partir de su mineral. El monóxido de carbono originado en la reacción anterior reacciona con el óxido de hierro (III) y lo transforma, finalmente, en hierro según la ecuación: Fe2O3(s) + 3CO(g)

2Fe(s) + 3CO2(g), q = -26,7 kJ.

Como la temperatura del horno es mayor que la temperatura de fusión del hierro (1 528 °C), el metal absorbe energía en forma de calor y se funde (pasa del estado sólido al estado líquido). Se requieren 14,9 kJ por cada mol de Fe que se funde, luego, para 2 mol de Fe se requieren 29,8 kJ. 2Fe(s)

2Fe(l); q = 29,8 kJ

Entonces, para obtener hierro líquido esta energía debe sumarse a los –26,7 kJ. Al sumar las dos ecuaciones Fe2O3(s) + 3CO(g) 2Fe(s)

Fe(s) + 3CO2(g), q = -26,7 kJ

Industrias Sloss, Birmingham, Alabama, EE.UU.

Fe2O3

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Fe(l); q = 29,8 kJ

se obtiene: Fe2O3(s) + 3CO(g)

2Fe(l) + 3CO2(g), q = +3,1kJ

Hornos de coque.

Ahora bien, esta es una reacción endotérmica, por tanto la energía necesaria para que ella ocurra debe provenir de alguna fuente, en este caso, de reacciones que desprendan energía en forma de calor (reacciones exotérmicas). Esta reacción requiere 3 mol de monóxido de carbono. En la reacción que produce este compuesto (ver esquema anterior) se queman 2 mol de carbono para formar 2 mol de monóxido de carbono y se desprenden -221 kJ; luego, se deberán quemar 3 mol de C para obtener los 3 mol de CO deseados y se desprenderán 3x (-221 kJ) / 2 = -331,5 kJ. 3C(s) + 3/2 O2(g)

3CO(g); q = -331,5 kJ).

Industrias Sloss, Birmingham, Alabama, EE.UU.

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Transferencia energética entre reacciones La energía que se produce (-331,5 kJ) es más que suficiente para proveer los 3,1 kJ que nos faltan para llevar el Fe2O3 a Fe(l). Al sumar las dos ecuaciones, tendremos: 3C(s) + 3/2 O2(g) Fe2O3(s) + 3CO(g)

3CO(g) ; q = -331,5 kJ 2Fe(l) + 3CO2(g), q = +3,1 kJ Se obtiene así:

Fe2O3(s) + 3C(s) + 3/2 O2(g) q = -328,4 kJ

2Fe(l) + 3CO2(g),

Si consideras la formación de 4 mol de Fe líquido, deberás multiplicar el valor anterior por 2. Finalmente obtendrás –656,8 kJ. 2Fe2O3(s) + 6C(s) + 3O2(g) q = -656,8 kJ

4Fe(l) + 6CO2(g),

Nanopartículas de hierro atrapadas por una capa de Fe2O3

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Como puedes ver, se desprende una gran cantidad de energía, la cual puede emplearse para calentar el aire que entra por la parte inferior del horno.

La celeridad en el cumplimiento de la misión de las moléculas: Cómo hacer para que una reacción ocurra más rápido

Aumentar la temperatura ha sido la solución para el caso del hierro; también lo es cuando cocinamos nuestros alimentos. Pero no siempre la única solución es aumentar la temperatura. El coque y los minerales de hierro antes de ser introducidos al horno son triturados. De esa manera, la superficie de contacto entre las sustancias reaccionantes aumenta y la reacción ocurre más rápido. Cuando masticas tus alimentos, no sólo lo haces para facilitar su paso por el esófago sino también porque al reducirlos de tamaño facilitas todas las reacciones químicas involucradas en la digestión, muchas de las cuales te permiten prolongar la sensación del sabor que disfrutas.

Velocidad

Al comienzo insistimos en que la reacción que conduce a la obtención del hierro no se realiza a temperatura ambiente sino a las muy altas temperaturas de un horno. Ahora vamos a ser más precisos; no es que no ocurra la reacción a temperatura ambiente sino que ocurriría tan lentamente que se necesitarían siglos para obtener el deseado hierro. Como nuestra vida dura menos que eso y nuestras necesidades de hierro y de acero son tan grandes, hay que lograr que este proceso se desarrolle más rápidamente, es decir, debemos aumentar su rapidez de reacción.

Temperatura

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Energía de activación Los combustibles son sustancias que producen gran cantidad de energía cuando se queman. Lo fue el coque en el caso del horno. Lo son los gases domésticos utilizados tanto para calentar como para cocinar en tu casa. Sin embargo, no basta que el gas y el oxígeno del aire se pongan en contacto para que empiece el calentamiento de la olla sobre la cocina, es necesaria una chispa para que se inicie la reacción. Una vez comenzada la reacción exotérmica, ésta producirá tanta energía que la combustión continuará hasta que se interrumpa el suministro de combustible o de oxígeno. A la energía que hace falta para que se inicie una reacción se la llama energía de activación. Este término fue introducido en 1888 por el químico sueco Svandte Arrhenius. Las energías de activación generalmente tienen valores menores que 400 kJ. Mientras menor sea la energía de activación, más fácilmente ocurrirá la reacción.

Parados de izquierda a derecha: Heydweiller, Rasch, Svante Arrhenius y Walther Nernst; (sentados) Palazzo, Friedrich Kohlrausch y Sheldon. Instituto de Física, Universidad de Würzburg, semestre invernal 1886/1887. Fuente: Ernst H. Riesenfeld. Svante Arrhenius. Akademische Verlagsgesellschaft, Leipzig, 1931. http://www.nernst.de/ kohlrausch1887.htm

El mundo de la química

Capítulo VI: Las transformaciones químicas Los valiosos catalizadores Reducir la energía de activación para que una reacción ocurra más rápidamente es una de las búsquedas más interesantes de la química. Los catalizadores son sustancias químicas que disminuyen la energía de activación de las reacciones químicas y logran que la reacción ocurra más rápidamente. ¿Recuerdas el problema sobre cómo reducir la cantidad de contaminantes en la atmósfera producidos por los automóviles? Allí el monóxido de carbono era eliminado haciéndolo reaccionar con dioxígeno para formar dióxido de carbono. Bien, la ecuación termoquímica correspondiente es: CO(g) + 1/2 O2(g)

CO2(g); q = -282,7 kJ

A pesar de que la reacción produce suficiente energía como para continuar tan pronto se inicie, ella tiene una elevada energía de activación que la hace muy lenta. Ahora bien, si en el interior del tubo de escape se coloca un catalizador con platino (Pt) o rodio (Rh) disperso sobre el soporte adecuado, la reacción ocurre muy rápidamente, pues en la superficie de estos metales el CO y el O2 se absorben con facilidad y reaccionan. El CO2 formado se desprende de la superficie dejándola libre para que se fijen más el CO y el O2, continuando así la reacción.

Un convertidor catalítico es un dispositivo para tratar los gases producidos por los automóviles y disminuir la contaminación que ellos provocan. Estos gases se generan durante la combustión de la gasolina. Los carros modernos provistos de estos convertidores deben utilizar gasolina sin plomo, pues este elemento envenena al convertidor anulando su acción benéfica.

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Imprescindibles enzimas Los catalizadores biológicos son vitales dentro de nuestro cuerpo. Estos catalizadores se denominan enzimas. Mientras los otros catalizadores son mayormente metales u óxidos, las enzimas generalmente son proteínas producidas dentro de las células. Las enzimas son sustancias altamente específicas y eficientes que participan prácticamente en todo lo que ocurre en nuestro organismo. Las enzimas no sólo aumentan la rapidez de las reacciones químicas, sino que permiten que ocurran a temperaturas mucho más bajas de las que se requerirían en su ausencia. Basta un sencillo ejemplo para ilustrar lo anterior: la combustión de la sacarosa (C12H22O11) que se representa por la siguiente ecuación:

Molécula de sacarosa

C12H22O11(s) + 12 O2(g) 12 CO2(g) + 11 H2O(l); q = -643,4 kJ

¿Sabías que...? 138

En Francia y en el Reino Unido más de 30% de la producción de sacarosa es destinada a la fabricación de bebidas gaseosas, mientras que en Australia, México y Brasil más del 50% de la sacarosa tiene ese destino.

Ni la sacarosa ni la reacción arriba señalada te son extrañas. La primera (C12H22O11) no es más que el azúcar que consumes normalmente y en cuanto a la reacción, la has visto ocurrir muchas veces en tu casa, por ejemplo, al hacer el caramelo para un quesillo. Afortunadamente los resultantes de esa reacción no son los productos que obtienes en tu hogar: un gas (CO2) y agua (H2O). Esto nos dice que tal reacción es difícil de realizar hasta llegar a esos productos; ni siquiera aumentando mucho la temperatura. Sin embargo, en nuestro organismo las enzimas logran realizarla a sólo 37 °C (nuestra temperatura corporal). La van realizando en varios pasos, una enzima diferente interviene en cada paso, y toda esa inmensa cantidad de energía va siendo liberada poco a poco. Tal como vimos en el párrafo anterior, un catalizador permite que una reacción ocurra por un camino diferente, camino que requiere una menor energía de activación para que la reacción ocurra más rápidamente. Además, los catalizadores no se consumen en las reacciones que catalizan, aunque no siempre es fácil recuperar o conservar su acción.

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Una ocasión para experimentar Sin saliva Si agregas tintura de yodo a una papa o manzana (pelada) se coloreará de azul debido a la reacción entre el almidón presente en la papa y el yodo. La amilasa es una enzima presente en la saliva que desdobla los almidones en azúcares. Toma una papa y córtala en dos. Cubre con saliva una de las mitades. Deja transcurrir unos minutos y agrega yodo a ambas mitades de la papa. Anota tus observaciones. Comparte tu conclusión con tu profesor.

Con saliva

Sin saliva

Sin saliva

Con saliva Con saliva

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El agua oxigenada o peróxido de hidrógeno (H2O2) se descompone muy lentamente en agua y dioxígeno. La luz y las partículas de polvo aceleran esta reacción, por esto se expende en frascos que no son transparentes y debe mantenerse tapada. La enzima catalasa, presente en la sangre, acelera esta descomposición. Las bacterias patógenas son anaeróbicas, es decir, no pueden vivir en presencia de dioxígeno. Por eso se agrega agua oxigenada en las heridas. Las burbujas blancas que ves son de dioxígeno. Toma un trocito de carne no congelada o un trocito de hígado y deja caer sobre él unas gotas de agua oxigenada. Anota tus observaciones. Comparte tu conclusión con tu profesor.

Apoyo didáctico Un país petrolero como Venezuela, con su industria petroquímica asociada, está muy interesado en el desarrollo de catalizadores, principalmente para la producción de polímeros. La revista de la Sociedad Venezolana de Química puede ser una ayuda para ilustrar este aspecto (Volumen 26, Nº 3, por ejemplo) y otros tópicos de relevancia y actualidad en la química y, por tanto, en su enseñanza. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo VI: Las transformaciones químicas • fascículo 18


Mientras más concentrado, más rápido Seguramente has oído o visto cuñas de TV que hablan sobre la conveniencia de adquirir productos comerciales más concentrados, es decir, que contienen mayor cantidad del ingrediente activo en la misma cantidad de producto. Desde el punto de vista estequiométrico, esto significa utilizar una menor cantidad del producto comercial para lograr el mismo resultado que con otras marcas. Desde el punto de vista de la rapidez de reacción, significa utilizar menos tiempo para obtener el mismo resultado. En efecto, la rapidez de reacción aumenta al incrementar la concentración de los reaccionantes.

Para pensar 140

¿Consideras que en un reactor catalítico se alcanza un estado semejante a un estado estacionario? Puedes conversar al respecto con tu profesor.

La condición de estado estacionario Imagina una manguera en el suelo conectada a una llave de agua. Al abrirla, el agua llenará la manguera, comenzará a salir y lo seguirá haciendo mientras la llave esté abierta. La diferencia de presión entre el tanque y el suelo produce la energía que hará que entre agua a la manguera y salga de ella. El sistema de agua dentro de la manguera es un sistema abierto, pues constantemente está recibiendo energía y materia. Sin embargo, se mantiene invariable, pues lo que ingresa al mismo es igual a lo que egresa. De un sistema así se dice que está en un estado estacionario. Si se acaba el agua o se cierra la llave dejará de fluir el agua. Algo similar ocurre en los altos hornos. Ellos funcionan mientras estén siendo “alimentados”, es decir, mientras se les estén suministrando las materias primas y la energía para que mantengan la reacción. A su vez, los productos deben ir saliendo del reactor y hacer espacio para que se continúen formando. De esta manera se prolonga en el tiempo una condición cercana a un estado estacionario, donde prácticamente no hay cambios en el sistema. Si se corta el suministro de reaccionantes o de energía, la reacción cesará. Los seres vivos también somos sistemas abiertos, pero no exactamente en condición de estado estacionario pues cambiamos con el tiempo. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo VI: Las transformaciones químicas • fascículo 18


Estado de equilibrio Imagina que luego de apagar un automóvil cerramos ambos extremos del convertidor catalítico de manera que no entre ni salga materia de él pero sí energía (sistema cerrado); el convertidor se irá enfriando hasta alcanzar la temperatura ambiente. Después de un tiempo, parecería que ya no estuviera ocurriendo ningún cambio con la pequeña cantidad de gases que están dentro del convertidor. Sin embargo, esto no es así. Lo que ocurre es que, paulatinamente, la velocidad con que se esté transformando CO y O2 en CO2 (reacción directa) se iguala con la velocidad con que se transforma CO2 en CO y O2 (reacción inversa), de forma tal que las cantidades de cada una de estas tres sustancias permanecerán constantes en el tiempo. Se dice así que se ha alcanzado un estado de equilibrio, un estado estable que se mantendrá mientras no se cambien las condiciones. 2CO(g) + O2(g)

2 CO2(g)

¿Cómo saber si en el estado de equilibrio predominan el CO y O2 o el CO2? Antes de dar respuesta a esta pregunta, comenzaremos por decir que para cada reacción existe una constante de equilibrio (K) cuya expresión depende de las sustancias participantes en la reacción y de sus coeficientes en la ecuación balanceada. Así, para la reacción anterior:

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K = P(CO2)2 / [P(CO)2 x P(O2)] donde P representa la presión para cada gas en el recipiente. El valor de K depende tanto de la reacción particular como de la temperatura. K toma valores positivos mucho menores que 1 para las reacciones con el equilibrio muy próximo a los reaccionantes, y valores mucho mayores que 1 cuando el equilibrio está cercano a los productos. Para la reacción anterior, a 25 ºC, K = 1 x 1090. Éste es un número gigantesco, casi impensable, por supuesto K > 1.

Imágenes de un sensor de temperatura corporal utilizado en medicina

Luego, el gas dentro del convertidor debe ser casi todo CO2. Sin embargo, esta reacción es extremadamente lenta por lo que requiere de un catalizador. El estado de equilibrio ha sido estudiado ampliamente por los químicos debido a sus muchas aplicaciones industriales y biológicas. En el próximo capítulo verás su utilidad al estudiar los equilibrios que ocurren en un medio acuoso. Ahora bien, la gran mayoría de los sistemas no se encuentra en condición de equilibrio, los seres humanos somos un ejemplo. Nuestra temperatura corporal (37 ºC) es diferente a la del medioambiente (normalmente, en Venezuela, entre 20 y 30 ºC). Mantener esa diferencia de temperatura implica un consumo de energía, la cual proviene de reacciones químicas bajo la indispensable presencia de las enzimas. Hay reacciones que tienen una constante de equilibrio tan pequeña a temperatura ambiente que, independientemente de las condiciones de trabajo, no ocurren en forma apreciable ni utilizando catalizadores: ¡Ellos son maravillosos pero no milagrosos! Los catalizadores sólo permiten que las reacciones por ocurrir lo hagan más rápido. Hay muchas reacciones que pueden ocurrir y no ocurren. Por ejemplo, todos los compuestos de carbono deberían entrar en combustión en presencia de oxígeno debido a que tienen K muy altas pero no lo logran a temperatura ambiente (¡Y menos mal, pues qué sería de nosotros!), ya que la alta energía de activación de las combustiones nos protege. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo VI: Las transformaciones químicas • fascículo 18


¿Es importante conocer los términos relacionados con las transformaciones de la materia? Al final de todo esto podrías preguntarte qué tan importantes son los conceptos de estequiometría, rapidez de reacción, calor de reacción, estado estacionario, equilibrio, catalizadores, etc. ¿Es importante la estequiometría? Mencionaremos un ejemplo. El grado de contaminación ambiental en buena parte depende de ella. Los automóviles modernos deben mantener una relación entre el oxígeno del aire y la gasolina que produzca la combustión completa para procurar que sólo se obtenga N2, H2O y CO2. Sobre los catalizadores, después de lo presentado en este fascículo, creemos que no te queda duda alguna sobre su importancia.

La NASA, utilizando un espectómetro, elaboró esta imagen tridimensional que representa el agujero en la capa de ozono sobre la Antártica.

Un poco de historia Wilhelm Ostwald nació el 2 de septiembre de 1853 en Riga, Latvia. Sus contribuciones a la química están estrechamente relacionadas con lo que has aprendido en este capítulo.

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Como se mencionó antes, Ostwald introdujo el concepto de mol en la química. Fue uno, o quizás el último, de los grandes químicos que no consideró relevante la existencia del átomo, y por tanto, de las moléculas. Creía que todo lo que existía era energía, a tal punto que su casa se llamó “Energía”. Sin embargo, después de los rayos catódicos y de los trabajos de Thomson y Rutherford, aceptó la existencia de electrones, átomos y moléculas. Su dedicación a organizar y estructurar el conocimiento ha hecho que se le considere entre los fundadores de la físico-química. Fue un excelente docente e investigador. Escribió un buen número de textos para la enseñanza de la química, así como muchos artículos y, además, fundó seis revistas científicas. Entre sus alumnos, tres obtuvieron el Premio Nobel: Van’t Hoff (1901), Arrhenius (1903) y Nernst (1920). Él lo recibió en 1909 por sus trabajos sobre catálisis, equilibrio químico y velocidad (rapidez) de reacción. Sus contribuciones también incluyen trabajos en disoluciones y electroquímica. Además, se debe a Ostwald el método para obtener HNO3 a partir de NH3, por lo cual lleva su nombre. Desde muy joven, Ostwald se interesó por la química y por la física. Sin embargo, su curiosidad abarcó también la filosofía, la educación, la música y la pintura. Esto explica su interés por las reformas educativas, sus escritos sobre filosofía de la ciencia, su participación en movimientos pacifistas y el que sus últimos años los haya dedicado intensamente al estudio del color, de tal forma que escribió sobre teoría e historia del color e, incluso, fabricó colores. Calendario año 1933, homenaje a Ostwald. Alemania.

Murió el 4 de abril de 1932, en Alemania. Había adquirido la nacionalidad alemana en 1888.

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¿Qué decir de la energía de activación? Veamos este ejemplo. Seguramente has oído o leído sobre el agujero en la capa de ozono y sus implicaciones. El ozono es nuestro escudo contra los peligrosos rayos ultravioleta. Se forma y se destruye naturalmente, de modo tal que se mantiene una condición de equilibrio (si consideramos a la estratosfera como un sistema cerrado) o de estado estacionario (si, más acertadamente, la consideramos como un sistema abierto). Pero los compuestos cloroflúorcarbonados, debido a los rayos ultravioleta, producen átomos de Cl. Recuerda que los átomos libres son muy reactivos por su inestabilidad. El conjunto de reacciones que ocurre en la estratosfera es bastante complejo. Podemos generar un pequeño ejemplo ilustrativo considerando solamente lo que pasa entre el ozono y un par de átomos (O y Cl). La menor energía de activación de la reacción ubicada más a la derecha, determina que esa reacción se produzca más rápidamente. Es decir, la eliminación del ozono provocada supera a la natural. Esto se agrava pues el ClO formado puede reaccionar con el O natural para producir O2 y más Cl libre que destruirá más ozono. Ello te permite comprender el porqué es necesaria una drástica disminución de la producción y empleo de los cloroflúorcarbonados.

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¡Seguramente comprendes ahora el porqué de la búsqueda de otras fuentes de energía distintas a la de los combustibles tradicionales y el porqué de la firma del protocolo de Kioto (Japón, 1997)!

Energía de activación

O + O3

Energía de activación

Cl + O3 Energía

En cuanto al CO2 producido por los automóviles, es cierto que no es un contaminante venenoso como lo son el NO y el CO, tampoco destruye la capa de ozono, sin embargo, algunos piensan que podrían ser parcialmente responsables de buena parte del calentamiento global de nuestro planeta.

Energía

∆H en el diagrama representa la energía involucrada en la reacción. Como en ambos casos los productos tienen menor energía que los reaccionantes, significa que se ha desprendido energía y calor. Son reacciones exotérmicas.

∆H

∆H ClO + O2

O2 + O2 Progreso de reacción

Progreso de reacción

En el mencionado protocolo, los países se comprometieron a disminuir la emisión de los gases que provocan alteraciones climáticas y que inciden en daños al ambiente y la salud. Por ejemplo, en lo que se refiere al CO2 implicaría, entre otras medidas, la protección forestal dado que las plantas absorben este gas durante la fotosíntesis. Podrías investigar sobre estas medidas. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo VI: Las transformaciones químicas • fascículo 18


Capítulo VII:


El mundo de la química

El agua y su mundo ¿Podemos vivir sin agua? ¿Te has preguntado alguna vez qué pasaría si dejaras de tomar agua? ¿Cómo harías para bañarte; para lavar la ropa que usas diariamente? Haciéndote esas preguntas te darás cuenta de que ese líquido que tan comúnmente usamos, y que a veces tal vez no aprecias lo suficiente, rodea muchas actividades de tu vida. Nuestras células tienen un alto contenido de agua y su presencia es vital para la subsistencia. Es éste un líquido de gran importancia en nuestra vida y tiene propiedades especiales que irás descubriendo con la lectura de este fascículo. La enorme dependencia que tenemos todos los organismos vivos del agua ha llamado la atención de científicos, filósofos, poetas y muchos otros pensadores que la han asociado con la química desde tiempos muy remotos. Algunos, han afirmado incluso, que alrededor del agua existe un misterio, un arte y una ciencia.

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Importancia del agua Históricamente el agua ha servido como base del desarrollo de muchas de las poblaciones que hoy en día conocemos. El agua y la civilización no pueden ser separadas. De hecho, la ausencia de agua siempre ha estado asociada con la desaparición de los seres vivos. Las primeras civilizaciones nacieron en los valles de los grandes ríos: el Tigris y el Eufrates en la antigua Mesopotamia, el Nilo en Egipto, el Indo en Pakistán y el Yangtsé o Yangtzé en China; sus torrentes hicieron posible que esas sociedades pasaran de una actividad agrícola de subsistencia a una economía próspera. En Egipto se crearon los primeros sistemas de riego y diques que permitieron utilizar, en época de sequía, el agua del Nilo que había sido almacenada durante el invierno. Igualmente en Mesopotamia (hoy Irak) se logró canalizar el agua de los ríos Tigris y Eufrates para satisfacer el consumo humano y regar las plantaciones de trigo.

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Moises cruzando el Mar Rojo. Capilla Sixtina, Roma, Italia.

Como el agua siempre ha sido tan importante para los humanos, no sólo se han desarrollado civilizaciones alrededor de ella, sino que también han nacido muchas historias, mitos y leyendas. Uno de los pasajes de la Biblia da cuenta de la división de las aguas del Mar Rojo por parte de Moisés. La mitología narra que los celtas lanzaban monedas y joyas a los ríos y lagos para agradecer a los dioses porque pensaban que ellos vivían allí. Los chinos creían que los fantasmas podían atravesar el agua sólo en línea recta, y colocaban puentes en zig-zag para evitar su llegada. También en la mitología griega hay muchas asociaciones con el agua. La principal es la de Neptuno, dios de los mares. Otra es la princesa Juturna, quien al no poder evitar una guerra con los troyanos se ahogó mientras su hermano moría en batalla. Zeus tuvo piedad de ella y la convirtió en una ninfa: la diosa de las “aguas tranquilas”. En el Foro Romano, en Italia, existe una fuente sagrada en su honor.

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El planeta azul y el color del agua A nuestro planeta, la Tierra, se le llama el planeta azul precisamente por la gran extensión de nuestros océanos y mares. Tan sólo un 29,2% de la superficie de la Tierra está formada por tierra firme, mientras que un 70,8% está cubierta por el mar. Esta enorme presencia determina, en buena parte, la existencia de vida en nuestro planeta. A pesar de que el agua de los mares y océanos pareciera ser de color azul o azul-verdoso, el agua es incolora. El color observado es el resultado de fenómenos de difusión, absorción y, sobretodo, reflexión/refracción de la luz que penetra la superficie marina y oceánica. Así que, por una parte, lo observado depende de la intensidad de la luz que incide sobre la superficie, la presencia de nubosidad y el estado de agitación del agua. Pero por otra parte, el color que se ve puede depender fuertemente de la concentración de partículas, organismos o microorganismos presentes en suspensión en una zona determinada. Así pues, en la cercanía de ciertas costas y desembocaduras de ríos, el agua pareciera ser de color marrón-amarillo y hasta rojizo, producto de los sólidos en suspensión que son arrastrados desde tierra hacia los mares u océanos.

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Los organismos microscópicos que presentan coloraciones propias pueden modificar la tonalidad y es así como las aguas del Golfo de California, llamado Mar Bermejo, y las del Mar Rojo tienen un color pardo debido a la presencia de algas, minúsculos animales dinoflagelados (fitoplancton marino) que poseen estas coloraciones y una elevada concentración de sal, 42 ‰ (por mil). Cuando la cantidad de dinoflagelados coloreados aumenta en el agua del mar y llegan a existir diez millones de individuos por milímetro cúbico de agua, entonces forman lo que se conoce con el nombre de "marea roja". En el estado Sucre, por ejemplo, tenemos el caso de Playa Colorada, que recibe ese nombre debido a que sus arenas contienen altos porcentajes de arcilla, haciendo que la playa se vea de color rojizo. En verdad, en ninguno de esos casos el agua es coloreada.

¿Sabías que...? El agua es indispensable para la vida del ser humano. Es el principal agente termoregulador del organismo; permite conseguir un equilibrio de temperaturas en todo el cuerpo y hace posible la disipación del calor metabólico que observamos cuando realizamos ejercicios fuertes. Nuestro organismo, y el de cualquier otro ser vivo, necesita agua para funcionar normalmente puesto que tanto las reacciones bioquímicas como el transporte adecuado de las sustancias tienen lugar en solución acuosa. Además, el agua constituye al menos dos terceras partes del cuerpo humano. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo VII: El agua y su mundo • fascículo 19


El ciclo del agua El calor del sol hace que el agua de los ríos, océanos, mares y lagos se evapore. Es por ello que el aire contiene una cantidad considerable de agua en forma de vapor, la cual se conoce como humedad atmosférica. Cuando el aire se enfría, el vapor se condensa y el agua se precipita bajo formas diversas (lluvia, nieve, granizo, rocío...). Una parte del agua vuelve a caer sobre el mar, otra circula por los terrenos y se encauza en torrentes y ríos que desembocan en mares, océanos y lagos. Y una gran cantidad de ella se infiltra y origina corrientes y lagunas subterráneas que luego afloran en los manantiales.

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Precipitación Nieve

Lluvia

Transpiración Evaporación

Río Escorrentía

Lago

Océano

Aguas subterráneas

De toda la cantidad de agua que hay en el planeta, solamente el 3% es agua dulce y apenas la mitad de ella es potable. El agua de procedencia natural (de mar, ríos, pozos, lagos o de lluvia) contiene cantidades variables de sales (alcalinas y alcalinotérreas) y gases (dióxido de carbono y aire), además de compuestos orgánicos y microorganismos. Se le considera potable cuando está libre de gérmenes y sustancias químicas dañinas y, por tanto, es apta para consumo humano. Debe ser límpida e inodora, fresca y agradable, contener algunos gases y sales disueltos en pequeñas cantidades, pero no debe tener materias orgánicas, gérmenes o bacterias. Para hacer que el agua sea apta para consumo humano se puede someter a ebullición, filtrado, coagulación, cloración, aereación o destilación. En la mayoría de las grandes ciudades se utiliza una combinación de todos estos métodos en las plantas de tratamiento.

En nuestra vida diaria convivimos con los tres estados físicos del agua. Los cambios de estado de la materia fueron considerados en capítulos anteriores. Un compuesto en estado sólido lo podemos pasar al estado líquido por fusión, o al gaseoso directamente por sublimación. Igualmente, se puede pasar del estado líquido al gaseoso por evaporación. Todos estos procesos requieren energía para producirse. Cabe recordar que también los procesos inversos ocurren pero con liberación de energía. El agua posee un intervalo amplio de temperaturas en las que se mantiene en estado líquido. Ese intervalo, a presión de una atmósfera (nivel del mar), va desde 0 ºC, temperatura de congelación, a 100 ºC que es su temperatura de ebullición. Históricamente, se han tomado las temperaturas de fusión y ebullición del agua como referencia de la escala de temperaturas.

Un poco de historia Henry Cavendish (1731–1810) fue un científico inglés que se destacó principalmente por sus aportes a la química y la física. Algunos de su trabajos estuvieron relacionados con la electricidad, para lo cual midió la fuerza de la corriente eléctrica dándose a sí mismo descargas para estimar la magnitud del dolor. Además, perfeccionó la técnica de recolección de gases en agua y fue el primero en colocar un nombre a los componentes de ésta. Lavoisier demostró poco después que el agua está constituida, exclusivamente, por hidrógeno y oxígeno. Por su parte, Cavendish es muy recordado por su determinación de la composición del aire y la densidad media de la Tierra. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo VII: El agua y su mundo • fascículo 19


¿Qué tipo de compuesto es el agua? átomo de oxígeno

A pesar de lo simple que pueda parecer como sustancia, el agua tiene propiedades muy interesantes que determinan que se encuentre en estado líquido y la convierten en elemento indispensable en la vida diaria.

El agua: Compuesto, molécula y estados físicos El agua pura es inodora, incolora e insípida. Es un compuesto formado por átomos de hidrógeno y oxígeno, y su fórmula química es H2O. En la molécula de agua los dos átomos de hidrógeno se unen a uno de oxígeno a través de enlaces covalentes (que discutimos en un fascículo anterior), formando una molécula de geometría angular, tal como se observa en la figura.

104,5º átomo de hidrógeno

átomo de hidrógeno

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La estructura geométrica de la molécula de agua se debe a que los dos pares de electrones libres (no enlazados) del átomo de oxígeno crean una densidad de carga que actúa sobre los dos enlaces H-O obligándolos, por efecto de repulsión de cargas, a cerrar el ángulo H-O-H, que forman los tres átomos hasta un valor de 104,5º. Es por ello que el agua presenta una estructura angular en vez de una posible estructura lineal como otras moléculas triatómicas, por ejemplo, el CO2.

104,5º Protón Neutrón Electrón

átomo de oxígeno

átomo de oxígeno

átomo de carbono Molécula de glucosa envuelta en una capa hidratada de moléculas de agua

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El puente de hidrógeno y el agua Un punto importante a considerar es que a nivel físico-químico, mientras en la mayoría de las sustancias la densidad aumenta a medida que la temperatura disminuye, en el caso del agua esto se cumple sólo hasta bajar a 4 ºC. Cuando el agua se continúa enfriando por debajo de esta temperatura, la densidad disminuye. Es por ello que el hielo flota en el agua líquida. Este comportamiento, aparentemente anómalo del hielo, se debe a que la estructura generada por interacciones llamadas puentes o enlaces de hidrógeno en estado sólido tiene un volumen molar mayor que aquel que posee en estado líquido. En las figuras se muestran, esquemáticamente, estos enlaces en ambas fases. Para formar puentes de hidrógeno es necesario que las moléculas posean átomos con electrones no compartidos (como los oxígenos del agua) y que estos átomos sean muy electronegativos y de pequeño tamaño, como el oxígeno, el flúor y el nitrógeno. A pesar de que un puente de hidrógeno no es tan fuerte como un enlace covalente, es suficientemente resistente para determinar ciertas propiedades de un estado de la materia intermedio entre el sólido y el gaseoso, como lo es el estado líquido.

150

Efectivamente, el agua se presenta en estado líquido, a presión atmosférica en el intervalo de temperatura conocido, porque sus moléculas están unidas entre sí por enlaces de hidrógeno, tal como fue sugerido por Linus Pauling (foto). Estos puentes favorecen la unión de las moléculas y, como resultado, el agua líquida tiene una estructura relativamente ordenada (figura), y muy estable en un intervalo de temperaturas amplio. Los puentes de hidrógeno se forman y se rompen de manera continua a una velocidad que oscila entre una milmillonésima de segundo (un picosegundo) y una billonésima de segundo (un femtosegundo). Cuando el agua pasa al estado sólido, es decir cuando se convierte en hielo, por efecto de la disminución de la temperatura las moléculas se organizan en una estructura que a pesar de ser compacta tiene un mayor volumen. Tal como observas en la imagen, cada molécula de agua se enlaza con otras cuatro a través de puentes de hidrógeno. Por lo tanto, en un volumen dado de hielo hay menos moléculas de agua que en el mismo volumen de agua líquida. Este es el motivo por el cual cuando el agua se congela su volumen aumenta y como consecuencia el hielo formado al congelarse el agua a 0 ºC flota sobre ésta. Es también por esta razón que se rompen los envases de vidrio cuando se congelan botellas completamente llenas de agua.

Interesante Gracias a la particularidad de que el hielo flota sobre el agua es que muchas especies vivas pueden sobrevivir bajo mares congelados en aquellos países donde las temperaturas descienden considerablemente en invierno. En los mares y lagos se congela primero la capa superficial de las aguas, quedando por debajo del hielo agua líquida, cuya temperatura aumenta con la profundidad, llegando a ser de 4 ºC en el fondo. Durante los meses invernales, este fenómeno permite el mantenimiento de la vida vegetal y animal en el agua.

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El agua es un regulador térmico muy estable La capacidad del agua para modificar su temperatura depende de su calor específico (cantidad de calor que se debe absorber o perder para que 1g de sustancia cambie su temperatura en 1 ºC).

Media de evaporacion potencial 1979-95 (W/m2/s)

El calor específico del agua es muy alto comparado con la mayoría de las sustancias. Por ello cambia su temperatura muy lentamente. Si tocas una olla donde se está calentando agua, te quemas el dedo mucho antes de que el agua comience a evaporarse debido a que el calor específico del agua es 10 veces mayor que el del hierro. Además, para evaporar un gramo de agua hace falta aproximadamente siete veces más calor que para fundirlo. Ésta es una propiedad relacionada con los puentes de hidrógeno, ya que la energía en forma de calor que se suministra al agua cuando se calienta, se utiliza para romper los puentes de hidrógeno existentes y para aumentar la energía cinética de las moléculas de agua. Este fenómeno afecta enormemente a nuestro planeta, porque cuando la temperatura aumenta apenas un poco, las grandes masas de agua absorben y almacenan una gran cantidad de calor.

0

100

200

300

400

500

600

La evaporación potencial está definida como la cantidad de agua que puede ser evaporada donde se encuentre disponible. En el mapa destacan las zonas desérticas ya que su potencial de evaporación es muy alto.

700

800

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En los países en los que hay invierno, el enfriamiento gradual del agua calienta el aire y hace el invierno menos cruel. Es por ello también que los cambios estacionales en las zonas costeras son menos radicales que en las regiones internas. Además, el enfriamiento gradual del agua ayuda a que las temperaturas en los océanos puedan ser bastante estables, lo que favorece la vida marina. El agua que cubre nuestro planeta mantiene los cambios de temperatura dentro de límites que permiten la vida, y, como nosotros estamos hechos principalmente de agua, tenemos mayor capacidad para resistir los cambios estacionales que si estuviéramos compuestos por otro líquido con menor calor específico. Si se pretendiera descomponer el agua en sus constituyentes, hidrógeno y oxígeno, se requeriría una gran cantidad de energía para lograrlo, mucho mayor que la energía necesaria para fundirla, calentarla o evaporarla, dado que para el agua sus enlaces intramoleculares son más fuertes que los intermoleculares.

Para pensar Te has preguntado por qué la ropa o tu cuerpo ¿se seca al aire libre con o sin sol? ¿Qué le ocurre al agua que moja la ropa o el cuerpo, por qué es más rápida con sol que sin sol?

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Agua: Un solvente como pocos Otra de las características principales del agua es que disuelve muchas y muy variadas sustancias, de tal manera que el mar es una inmensa solución de diversos solutos (por ejemplo O2, NaCl, entre muchos otros). El agua es considerada por muchos como el solvente (disolvente) perfecto. Sin duda, el agua es el solvente más común de nuestro planeta y es capaz de disolver muchas sustancias, pero no todas. Los compuestos iónicos como el NaCl y covalentes polares como el HCl son generalmente solubles en agua y en solventes con propiedades similares a ella, mientras que los compuestos covalentes –no polares– (hidrocarburos) lo son en solventes similares a los aceites. Al agua y a los solventes similares se les denomina polares, mientras que al aceite y a aquellos que se le parecen se les denomina no polares. Los líquidos polares, agua y alcohol, por ejemplo, son solubles (miscibles) entre sí. De igual manera son miscibles entre sí los no polares, por ejemplo, aceite y kerosene, pero el aceite y el agua son inmiscibles, pues el primero es polar y el segundo no. Dissolving. Cai Xiaohua, pintor chino. http://www.shangallery.com

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Solubilidad en agua Otro punto importante es que a pesar de que hay compuestos muy solubles en agua, como la sal y el azúcar, su solubilidad no es ilimitada. Ella depende de la naturaleza química del soluto y de la temperatura. ¿Puedes decir dónde es más fácil preparar “agua de azúcar”, en agua helada o en agua a temperatura ambiente? En el caso de solutos gaseosos, la solubilidad también depende de la presión. A diferencia de lo que ocurre con la mayoría de los sólidos en agua, que su solubilidad crece con el aumento de la temperatura, ocurre lo contrario con los gases. ¿Sabes cuándo se libera más gas de una malta, cuando la abres fría o cuando lo haces a temperatura ambiente? Por cada temperatura existe un máximo de soluto que se puede disolver en una cantidad determinada de agua. A este máximo se le conoce como solubilidad de un soluto a dicha temperatura y se expresa generalmente en gramos de soluto por cada 100 g de agua. Se dice entonces que la solución está saturada a dicha temperatura. Mientras que por debajo de este valor la solución es insaturada o no está saturada a la temperatura considerada. Cuando una solución saturada de un sólido es enfriada cuidadosamente llega a contener más soluto de la que el agua puede disolver a esa temperatura. En estos casos se dice que la solución está sobresaturada. Esta es una condición inestable de las soluciones ya que si se la agita bruscamente, si se raspan las paredes del envase que la contiene con un agitador de vidrio o si se le agrega un cristal de la sustancia que se está disolviendo, todo el exceso de soluto abandonará la solución dejando en ella sólo la cantidad de soluto que puede disolver el disolvente (agua en este caso) a esa temperatura. Después de la precipitación del exceso de soluto, quedará una solución saturada y en el fondo soluto sólido.

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Más sobre soluciones de gas en líquido Los refrescos (gaseosas) son soluciones acuosas. Cuando destapas una botella de refresco se escucha un ruido y se ven burbujas en el líquido. ¿Qué pasa allí? Pues, simplemente, que la disolución de un gas en un líquido es proporcional a la temperatura y a la presión. Cuando la botella de refresco está tapada, la presión interna es mayor a la del ambiente, haciendo que el CO2 se mantenga disuelto en el líquido. Cuando la destapas, la presión se hace menor, originando a su vez que la solubilidad del gas sea menor, por lo que el exceso de CO2 se escapa al aire. De igual manera, si dejas sin tapa la botella por mucho tiempo, el refresco se queda sin gas. Lo mismo ocurre cuando se abre una botella de vino espumante, con la diferencia de que en este caso la presión del gas empuja al tapón de corcho haciendo que éste salga disparado.

El mundo de la química

Capítulo VII: El agua y su mundo 200

Para pensar

¿La solubilidad depende de la naturaleza del soluto? Sí No ¿La solubilidad cambia para el NaCl más lentamente que para el KNO3? Sí

No

¿ A 70 ºC el NaCl es más soluble en agua que el KNO3? Sí No ¿Si a 70 ºC hubieras agregado 50 g de KNO3 a 100 g de agua, se disuelven completamente? Sí No La solución quedó: saturada

180

160

Solubilidad (g soluto/100 g agua)

En un fascículo anterior pudiste ver algunas curvas de solubilidad que muestran cómo cambia la solubilidad de algunas sales con la temperatura. Fija tu atención en dos de ellas, la de KNO3 y la de NaCl (ver figura anexa). Te invitamos a responder las siguientes preguntas:

140

120

100

80 K

N

O3

60

NaCl

40

, no saturada 20

20

30

40

50

60

70 80 Temperatura ºC

90

Fascículo 20


¿Qué es el agua dura? Cantidad de sales de magnesio y calcio (g de sal/100 g agua)

Dureza total (ppm de CaCO3)

Clasificación del agua

0–4

0

Muy blanda

5–8

máximo 100

Blanda

9 – 12

101 - 200

Media

13 – 20

200 - 300

Dura

> 20

> 300

Muy dura

No se trata del hielo. El agua, dependiendo del reservorio natural de donde provenga, presenta diferentes contenidos de sales disueltas, especialmente compuestos de magnesio y calcio o nitratos, sulfatos y cloruros que pueden formar costras blanquecinas en el recipiente al ser hervida. Cuando esto ocurre estamos en presencia de un agua dura. Podemos reconocer un agua dura por el residuo grisáceo que forma con el jabón, por la apariencia opaca de las ropas lavadas con este tipo de agua, por las sales que se depositan en las ollas al hervirla o, en algunas ocasiones, por un sabor desagradable. Dependiendo de la concentración y del tipo de sales disueltas en el agua, se le puede clasificar como dura o blanda. La dureza del agua se pone de manifiesto porque el jabón o los detergentes no producen mucha espuma. Esto se debe a la naturaleza química de los jabones. Un jabón es una sal alcalina, generalmente sódica, de un ácido graso.

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Las soluciones alcalinas o sódicas son solubles en agua. Sin embargo, cuando el jabón se disuelve en agua dura (que contiene cationes de los metales alcalino-térreos), se produce un intercambio de cationes sodio por cationes calcio o magnesio, obteniéndose sales alcalino-térreas de ácidos grasos que son insolubles en agua y, por lo tanto, precipitan, perdiéndose las propiedades del jabón en solución, y observándose una menor formación de espuma.

Apoyo didáctico El agua de tu casa ¿es dura o blanda? Una de las formas de distinguir un agua dura de una blanda es por la poca cantidad de espuma que producen los jabones en agua dura. Compararemos diferentes tipos de agua como, por ejemplo, agua de mar, de río, agua mineral o agua de nuestro propio grifo. Como referencia tomaremos una muestra de agua destilada. Necesitarás varios tubos de ensayo con tapón, uno por cada muestra que tengas, una regla, un frasco gotero y una pastilla de jabón. Se debe utilizar un jabón obtenido con aceites vegetales o grasas animales, como el jabón de coco o jabón “azul”. Prepara una solución de jabón raspando un poco la pastilla con un cuchillo y disolviéndola en un vaso de agua destilada. Agítala suavemente, sin producir espuma, y colócala en el frasco gotero. Para ver si tienes la concentración de jabón correcta, coloca 5 gotas de la solución de jabón en un tubo de ensayo con agua destilada y agita por un minuto. Si la espuma llega hasta el tapón, la solución de jabón debe hacerse más diluida. Prepara las muestras que vas a analizar, etiquetando los tubos y colocando la misma cantidad de agua en cada uno de ellos. Agita cada una de las muestras tapadas por un minuto y mide con la regla la altura a la que llega la espuma. ¿En cuál se forma más espuma? ¿En cuál menos? Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo VII: El agua y su mundo • fascículo 20


¿Conduce el agua la corriente eléctrica? Para que un material conduzca la corriente eléctrica es necesaria la presencia de entidades que la transporten. En el caso de un alambre, la electricidad es conducida por los electrones; en el caso de un líquido, la electricidad es conducida por iones. El agua pura es un mal conductor de electricidad, lo cual significa que hay muy pocos iones en ella. Esto se hace evidente al conocer el valor de la constante del siguiente equilibrio: H2O(l) H+(ac) + OH-(ac) a 25 ºC KW = 1,0 x 10-14 Un valor tan bajo de la constante de equilibrio significa que sólo una mínima cantidad de agua se separará en iones H+ OH-. Este hecho puede representarse de la manera siguiente: H O(l) H+(ac) + OH-(ac) 2

H+(ac) = OH-(ac) La flecha de mayor tamaño indica que la ecuación se encuentra desplazada hacia la izquierda, es decir, que hay mayor cantidad de agua en estado molecular que ionizada. La ecuación de disociación del agua indica que en agua pura estamos en presencia de un sistema en equilibrio. En él, iones H+ y OH- no sólo se encuentran en equilibrio con el agua, sino que sus concentraciones son iguales: [H+] = [OH-] a 25 ºC. Si la constante de ese equilibrio, KW, producto de las concentraciones de [H+] y [OH-] es igual a 1,0 x 10-14, puede calcularse la concentración de las especies iónicas en equilibrio: H+(ac) = OH-(ac) = (K ) = 1,0 x 10-7 mol/L

155

W

Una de las principales propiedades del agua es la de ser un excelente solvente de muchas sales. Al disolverse las sales en agua proporcionan grandes cantidades de iones, lo cual hace que sus soluciones sean excelentes conductoras de la electricidad. Las concentraciones de equilibrio iónico se expresan por valores generalmente muy pequeños, como los que vimos para el caso del agua. Trabajar con exponentes negativos de concentraciones es engorroso por lo que, con la finalidad de manejar más cómodamente dichas cantidades, se creó la escala de pH (potencial de hidrogeno) que se ha popularizado hoy en día a través de comerciales de cosméticos y detergentes.

En 1909, Soren Sorensen, bioquímico danés (1868-1939), propuso una escala para medir la concentración de los iones [H3O+] también llamada escala de pH, y la definió por alguna de las siguientes ecuaciones: pH = -log[H3O+]tot , otra forma de expresión es pH = log 1/[H3O+], también se expresa como pH =log101/[H+]

¿Sabías que...? Hay ciudades o países en donde el agua es particularmente dura, lo cual ocasiona problemas en las tuberías, por ejemplo, al precipitar numerosas sales. Esas sales se depositan y no permiten el flujo normal de agua y desechos, causando corrosión en los tubos, como observamos en la foto. Estas sales también tienen efectos adversos para muchos fines industriales, como por ejemplo, para el uso del agua en calderas, debido a que las incrustaciones que ocasiona pueden provocar la explosión de las mismas. Por tratamiento con algunas resinas especiales el agua dura se puede “ablandar”. También, a nivel industrial, el agua dura (en grandes cantidades) es ablandada haciéndola pasar a través de zeolitas, que son materiales en cuyos poros se pueden quedar atrapados los iones responsables de la dureza del agua.

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0

Escala de pH

1 Jugo de limón 2,0

2

3 Vino 4,0

4

5 Lluvia 5,5

6

Sangre humana 7,5

Intervalo óptimo para la vida 6,5-8,2

7

8 Polvo de hornear 8,5

9 Detergente 10,0

10

11

156

12 Blanqueador 12,5

13

El pH, ¿qué es? El pH es una escala logarítmica que permite explicar, de una manera simple, muchos procesos químicos, y clasificar muchos compuestos como ácidos o bases. La escala de pH adopta valores generalmente positivos que van de 0 a 14, a 25 ºC. Como ya dijimos, el agua pura a 25 ºC tiene una concentración de H+(ac) igual a 1,0 x 10-7 mol/L, por lo que el pH del agua es 7. A 25 ºC las soluciones a pH = 7 son neutras, mientras que aquellas que tienen pH < 7 son ácidas, y las que tienen pH > 7 son básicas. Fisiológicamente el concepto de pH es muy importante. La sangre puede ser considerada como una solución de pH casi neutro. Pero no todo tiene un pH neutro en el organismo humano. Los procesos digestivos se realizan gracias a la presencia de los ácidos gástricos, con pH comprendido entre 3,5 y 4. A valores de pH superiores se tiene la sensación de pesadez en el estómago. En ocasiones, sufrimos de acidez debido a una producción exagerada de HCl en el estómago, la cual se combate con antiácidos que son comúnmente sales o bases de aluminio o magnesio. Otro ejemplo interesante es la absorción del calcio (necesario para nuestros huesos y dientes, principalmente) que se realiza en el estómago y ocurre solamente si el pH estomacal es ácido.

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Interesante En muchas campañas publicitarias se usa el término “pH balanceado” como una propiedad importante de los productos. Se habla, por ejemplo, de jabones con pH balanceado. Este término se usa especialmente en la industria cosmética y alimentaria para referirse a sustancias que mantienen sus propiedades sólo si tienen un valor estable de pH lo cual se logra mediante aditivos. Los que se usan, por ejemplo, son soluciones tampón o reguladoras, que son mezclas de ácidos y bases que, por equilibrio, resisten las variaciones de concentración sin alterar el pH. Es diferente hablar de pH balanceado y de pH neutro. El pH neutro corresponde a la situación en que la concentración de protones es 10-7, por lo que el pH es 7, como en el agua pura.

Apoyo didáctico Se puede determinar el pH aproximado de una solución utilizando papel de pH. Este es un papel impregnado con un reactivo que adopta colores diferentes dependiendo de si reacciona con un ácido, una base o una solución neutra. Se puede determinar el valor de pH de varias sustancias como jabones, detergentes, refrescos, etc. Coloca una pequeña cantidad de sustancia en un tubo de ensayo e introduce un trocito pequeño de papel pH. Anota tus observaciones y compara los resultados con los que indican los productos que analizaste.

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Conozcamos los ácidos y las bases

Jugo de limón o naranja

Bebidas gaseosas

Aspirina

Vinagre

Ácido ascórbico

Ácido fosfórico

Ácido acetilsalisílico

Ácido acético

Productos de limpieza

Ácido clorhídrico

Lluvia ácida

Ácidos nítrico y sulfúrico

Batería de carro

Jugo de limón

Ácido sulfúrico

Ácido cítrico

Ahora que hemos visto el concepto de pH y su escala, es fácil comprender que lo que, generalmente, denominamos ácido tiene un pH inferior a 7, mientras que las bases tienen valores de pH mayores que 7. En este esquema te presentamos algunos ejemplos. El término ácido viene de la palabra latina acere, que quiere decir de sabor agrio y se relaciona con el sabor típico de las frutas cítricas. El nombre de álcalis (o bases) proviene del árabe al-qalyi, planta cuyas cenizas modifican las propiedades de los ácidos. Los ácidos y las bases juegan un papel muy importante en la química porque, con la excepción de las reacciones de óxido-reducción (que veremos más adelante), gran cantidad de reacciones químicas pueden ser clasificadas como reacciones ácido-base. Muchas sustancias de uso diario en nuestras casas pueden clasificarse como ácidos o bases.

157 Antiácidos

Hidróxido de aluminio, magnesio

Cemento

Destapa-cañerías

Desengrasantes

Óxido de calcio

Hidróxido de sodio

Amoníaco

Fuerza de los ácidos y de las bases

Cuando nos referimos a la fuerza de un ácido o una base estamos hablando de su capacidad para disociarse en sus iones en solución acuosa, pero todos los ácidos y bases no tienen la misma fuerza. Los ácidos sulfúrico (H2SO4), clorhídrico (HCl) y nítrico (HNO3) que se ionizan completamente en soluciones acuosas diluidas, es decir, que se separan totalmente en protones y sus correspondientes aniones, se denominan ácidos fuertes. De la misma forma, los hidróxidos de sodio y de potasio se disocian completamente en estas condiciones, por lo que se denominan bases fuertes. HCl(ac) H+(ac) + Cl-(ac) ácido fuerte NaOH(ac)

Na+(ac) + OH-(ac) base fuerte

Para saber si un ácido es fuerte o débil debemos considerar sus constantes de equilibrio. Un ácido cualquiera, HA, en disolución acuosa produce el siguiente equilibrio: HA(ac) H+(ac) + A-(ac) La constante de equilibrio en este caso puede ser expresada como: Keq = [H+][A-]/[HA] = Ka siendo Ka la constante de disociación de ese ácido. Con este valor se puede conocer el pKa, que es otro recurso matemático (pKa = -logKa), que nos permite ordenar a los ácidos en términos de su fuerza. Los ácidos fuertes tienen constantes de disociación grandes (ya que se ionizan completamente) mientras que los débiles tienen constantes de disociación pequeñas. En el caso de las bases se presenta exactamente la misma situación. La Kb es la constante de disociación básica, y el pKb = -logKb. En los sistemas biológicos los ácidos y bases fuertes, aunque importantes, son menos relevantes que los ácidos y bases débiles. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo VII: El agua y su mundo • fascículo 20


Los conceptos de ácido y de base Estos conceptos, como todo en la ciencia, han ido cambiando con el tiempo. Lavoisier consideró que los ácidos se originaban de la reacción de algunos óxidos con agua. SO3 + H2O

H2SO4

La anterior definición sin embargo excluía ácidos como el clorhídrico que no tiene oxígeno (al que se denominaba generador de ácidos). Casi un siglo después, Arrhenius consideró ácidos a aquellas sustancias que poseían hidrógeno y en solución liberan H+: HCl(ac) H+(ac) + Cl-(ac) y bases a las que contenían oxidrilos y en solución podían liberar OH-. Pero esta teoría tampoco resultó exhaustiva ya que no permitía explicar que el NH3 se comportara en solución como una base y el CH3CH2OH como un ácido. Más tarde, Brønsted y Lowry (independientemente) postularon que un ácido es toda sustancia que libera un protón (H+) y una base es toda sustancia que lo acepta, con lo cual se amplió aún más la teoría de ácidos y bases. Por ejemplo: NH + H O NH + + OH3

Johannes Nicolaus Brønsted, químico danés (1879-1947) en su laboratorio

158

base

2 ácido

4 ácido

base

Más adelante, Lewis propuso utilizar el concepto de compartición de electrones para definir base como toda especie que aporta un par de electrones y ácido como una especie que los acepta. De esta manera se pudo explicar reacciones del tipo: BF3 ácido

+ NH3

F3BNH3

base

Evolución de las teorías de ácidos y bases Lavoisier

Ácidos Se generan al disolver en agua los productos de combustión de elementos no metálicos (óxidos)

HCN y HCl no contienen oxígeno La respuesta era el hidrógeno

Oxígeno generador de ácidos

Arrhenius

Brønsted y Lowry

Ácidos: Liberan protones (H+) Bases: Liberan hidróxilo (OH-)

No explica el carácter básico del NH3 HCl(ac) NaOH(ac)

NH3(ac)+H2O NH3 = base

Ácidos: Liberan protones Bases: Aceptan protones

H+(ac) + Cl-(ac) Na+(ac) + OH-(ac)

NH4+(ac) + OH-(ac) H2O = ácido

Limitado a sustancias con protones No explica el carácter de BF3 (ácido), Cl-(base) Al2O3 (anfótero) Concepto de ácidos y bases conjugados H2O: compuesto anfótero (actúa como ácido o como base)

Lewis Se comparten electrones Ácidos: Aceptan pares de electrones Bases: Donan pares de electrones

Más recientemente se han propuesto nuevas teorías ácido-base aún más amplias como las de Lux-Flood, Usanovich y la de ácidos duros y blandos (Pearson).

Teoría usada en la actualidad

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Relatividad de la acidez y la basicidad La clasificación de una especie química como ácido o como base depende del sistema que se esté considerando. Por ejemplo, el agua es una base frente al ácido clorhídrico, mientras que es una ácido frente al amoníaco. Es decir, no siempre tiene el mismo comportamiento de ácido o de base. Las sustancias que se comportan de esta manera se denominan anfóteras. Inclusive algunos ácidos tradicionales dejan de serlo cuando están frente a ácidos más fuertes. Así, por ejemplo, el ácido acético se comporta como una base frente al ácido clorhídrico, lo que indica que este último es el ácido más fuerte de los dos y, en consecuencia, el “ácido” acético se comporta como base. Igual ocurre con las bases. Esto nos lleva a concluir que el carácter ácido o básico de una sustancia depende mucho del medio en que se encuentre. Como los ácidos y las bases son complementarios, al reaccionar se neutralizan. En solución acuosa los productos de la interacción de un ácido y una base son una sal y generalmente agua. HCl(ac) + NaOH(ac) NH3(ac) + HCl(ac)

NaCl(ac) + H2O(l) NH4Cl(ac)

El punto de equivalencia de una neutralización depende de la naturaleza de los reactivos. Cuando tanto el ácido como la base son fuertes, al final de la reacción se obtiene una solución de pH neutro. Si uno de los dos es más débil, el punto de equivalencia lo determinará el más fuerte de los reactivos, por lo que el pH final será distinto de 7.

159

Un poco de historia Svante August Arrhenius nació en Suecia en 1859. Estudió química, física y matemáticas en la Universidad de Uppsala (Suecia), y en 1881 se fue a trabajar a la Academia de Ciencias de Estocolmo. Allí realizó estudios acerca de las descargas eléctricas y la fuerza electromotriz asociada a ellas, publicando su trabajo de tesis (1884) en el que concluyó que los electrolitos cuando se disuelven en agua, se separan o disocian en diferentes grados dependiendo de su naturaleza, y en iones positivos y negativos. Estos iones debían estar asociados al transporte de electricidad en solución acuosa y también a la actividad química. Pocos autores habían asociado anteriormente la electricidad con la química. A pesar de que la idea no fue aceptada por algunos científicos de la época, importantes profesores suecos lo apoyaron dándole el cargo de profesor de físico-química de la Universidad de Uppsala. Fue el primer profesor de esta rama de la química en Suecia; también hizo investigación en importantes laboratorios en Riga y Amsterdam y fue docente en la Universidad de Stockholms Högskola, de la cual fue rector. En 1903 fue galardonado con el Premio Nobel de Química en reconocimiento a su teoría electrolítica de la disociación. Fue elegido como miembro extranjero de la Sociedad Real de Química inglesa en 1911 y premiado con la medalla Davy. Murió en Estocolmo en 1927. Arrhenius, Van Romburgh y Van 't Hoff en Cohen, Suecia.

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Reacciones en solución acuosa Nos estamos dando cuenta de que el número de reacciones químicas que se llevan a cabo en solución acuosa es muy grande y en muchos casos el agua actúa como disolvente o como reaccionante. A través de la teoría de ácidos y bases puede verse la función del agua como reaccionante. Según Brönsted y Lowry, un ácido es una sustancia que dona protones a otra, mientras que la base es la que los acepta. H O + HCl H O+ + Cl2

3

(El ácido clorhídrico dona un protón al agua y actúa como ácido, el agua lo acepta y es una base). NH + H O NH + + OH3

2

4

(El agua le dona un protón al amoníaco y actúa como ácido y el amoníaco como una base). Cuando la molécula del ácido dona su protón, el resto de esa molécula es una base y la base original, al recibir un protón, se convierte en un ácido. HA A- + H+ base

160

La secuencia de imagenes nos muestra la reacción entre una solución ácida (roja) y una básica (azul) en una solución neutra. Las soluciones ácida y básica fueron inyectadas en un lapso de 20 segundos y las fotografías tienen un minuto de diferencia entre ellas. El ácido y la base se transformaron rápidamente en filamentos y al cuarto minuto éstos desaparecieron debido a la neutralización efectuada entre ellas. Fuente: http://www.geology.yale.edu/~mgw22 /Acid_Base/

protón

Los miembros del par ácido-base se conocen como par conjugado. El límite del intercambio depende de la fuerza relativa del ácido y de la base. En una solución acuosa el agua puede ser base o ácido de referencia. Un ácido que se disocia completamente en agua es un ácido fuerte, es decir que la reacción de disociación de sus iones es completa, HCl + H O H O+ + Cl2

3

su base conjugada, el Cl-, es una base tan débil que no puede sustraer el protón al H3O+. Un ácido débil es aquel que se disocia muy poco en agua para producir iones, como por ejemplo el ácido acético (CH3COOH) que produce iones acetato y protones hidratados: CH COOH + H O CH COO- + H O+ 3

2

3

3

el ión acetato (base conjugada del ácido acético) es una base fuerte que está en condiciones de quitar un protón al H3O+ y volver a formar la molécula de ácido acético. Como vemos, un ácido fuerte implica necesariamente una base conjugada débil y el conjugado de una base fuerte es necesariamente un ácido débil.

Para pensar El ácido clorhídrico es un ácido fuerte, mientras que el amoníaco es una base débil. ¿La reacción de neutralización ocurre a pH = 7 o pH > 7 o pH < 7? Si tienes dudas consulta con tu profesor.

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Titulación: Un método de análisis Las reacciones de neutralización generalmente se realizan por titulación. Una titulación es un análisis volumétrico que se usa para determinar la concentración de una sustancia a partir de otra de concentración conocida. Es una técnica muy difundida ya que es muy práctica, sencilla y precisa. ¿Cómo se hace una titulación? Dos soluciones se llevan a reaccionar poco a poco hasta evidenciar que alguno de los reactivos se ha consumido completamente. Esto ocurre cuando las cantidades de sustancia (en mol) se encuentran en la relación de sus coeficientes estequiométricos. Es lo que se conoce como punto de equivalencia. Para tener la evidencia de que se ha alcanzado dicho punto se utiliza un indicador. 1NaOH(ac) + 1HCl(ac) n(NaOH) n(HCl)

NaCl(ac) + H2O

1 1

El punto de equivalencia de la titulación se alcanza cuando n(NaOH) = n (HCl)

El mundo de la química

Capítulo VII: El agua y su mundo Indicadores: ¡Colores muy útiles!

14

Los indicadores ácido-base son sustancias orgánicas débilmente ácidas o básicas que, como su nombre lo indica, permiten visualizar el final de una titulación mediante un cambio de color. Su coloración es característica para cada una de estas sustancias y varía en un intervalo de pH determinado. Por lo tanto, el uso de los indicadores depende del tipo de reacción que se esté llevando a cabo y del pH de las soluciones que se están estudiando. En el caso específico de la neutralización, uno de los indicadores más comunes es la fenolftaleína, la cual en solución ácida es incolora y en solución básica es roja. Otros indicadores comúnmente usados en neutralización son el naranja de metilo y el rojo de metilo, por ejemplo. Observa el color que presentan algunos indicadores comunes a diferente pH en esta tabla. Indicador

pH<

Color

Amarillo de metilo

2,9 Rojo

Fenolftaleína

8,0 Incoloro

Rojo de metilo

4,2 Rojo

Timolftaleína

8,6 Incoloro

7

pH> Color

4,0 Amarillo 10,0 Roja 6,2 Amarillo 10,0 Azul

0

Amarillo de metilo

Fenolftaleína

Rojo de metilo

Timoftaleína

Fascículo 21


Apoyo didáctico Para medir volúmenes exactos existe una serie de instrumentos calibrados, de uso común para el químico, en el laboratorio. Entre ellos se encuentran las buretas y pipetas volumétricas, y las pipetas graduadas. Tanto las buretas como las pipetas son instrumentos que te permiten añadir volúmenes de líquidos con gran precisión. La diferencia entre ellas es, principalmente, que con la bureta puedes dosificar la cantidad y velocidad con la que agregas el líquido con la ayuda de una llave de paso, lo cual es muy útil en titulación. Con la pipeta graduada es posible añadir ciertos volúmenes según la graduación del instrumento y con la pipeta volumétrica puedes añadir sólo una cantidad fija de líquido, ya que viene calibrada para un volumen en particular. Para medir y trasvasar los líquidos con las pipetas te ayudas con una pera o propipeta. Otro instrumento que también se usa para la preparación de soluciones es el balón aforado, instrumento de vidrio que puede contener solamente un volumen determinado de líquido; se usa para preparar soluciones de concentraciones exactas.

162 Libro de química. Museo de la Universidad de Valencia, España.

Indicador de repollo morado Podemos preparar un indicador ácido-base en casa con un extracto de repollo morado. Se necesitan algunas hojas de repollo morado, aproximadamente 2 tazas (si son las más coloreadas, mejor). Córtalas y agrégales agua destilada (aproximadamente 1 taza). Lleva esta mezcla a ebullición suave por, al menos, 20 minutos, y observarás que el agua cambia lentamente de incolora a ligeramente morada. Cuando el color sea bastante oscuro, quita la mezcla del calor y déjala enfriar. Filtra el líquido morado, el cual es ya tu extracto de repollo morado, tu indicador. Si vas a mantener tu solución por varios días, guárdala en la nevera en un frasco tapado. Puedes probar la efectividad de tu indicador utilizando por ejemplo vinagre y una solución de bicarbonato de sodio. En la siguiente tabla encontrarás los colores aproximados de tu indicador de repollo morado, dependiendo del pH de la solución. A pH neutro (pH = 7) tu indicador es morado, es decir, del color de tu extracto. Si quieres hacerle pruebas adicionales a tu indicador dile a tu profesor que las prepare contigo en el colegio.

pH Color

2

4

6

8

10

12

Rojo

Púrpura

Violeta

Azul

Azul-verdoso

Verde-amarillento

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Problemática y conservación del agua A pesar de que la Tierra está cubierta principalmente por agua son pocas las poblaciones que disponen de ella en cantidad suficiente, ya que su distribución en el mundo es dispareja. Las aguas de lluvia se concentran en zonas templadas y en los trópicos húmedos. Por lo tanto, la vegetación prospera en algunos países y en otros, sometidos a sequías, lo que encontramos son desiertos. Mientras existen regiones donde llueve hasta 5 m3 de agua anuales, en otras se registran precipitaciones hasta 1 000 veces menores. Por ejemplo, en Islandia hay abundante provisión de agua para beber mientras que en el Medio Oriente hay muy poca. Como consecuencia de esta desigualdad, alrededor de 2 000 millones de personas en el mundo sufren de escasez de agua. Si bien en esos casos están constantemente al borde de la sequía, incluso en los países más favorecidos con recursos hídricos también se pueden enfrentar problemas importantes de escasez de agua. La falta de acceso al agua potable es una de las mayores amenazas para la salud y el sustento de los seres humanos. Desierto del Sahara. África del Norte.

¿Sabías que...? A pesar de que el planeta Tierra está constituido por agua en más del 70 %, sólo una mínima parte es agua dulce. Además, las sequías afectan enormemente. Cada año se evaporan 330 millones de hectómetros cúbicos de agua en los océanos y aproximadamente 63 millones de hectómetros cúbicos en los terrenos del planeta. Sólo 100 millones de hectómetros cúbicos de agua caen a la tierra en forma de lluvia. La precipitación en la tierra es de 660 mm por año en promedio.

163

Es por ello que cada uno de nosotros debe hacer un esfuerzo por conservar los recursos hídricos de que disponemos. Muchas son las consecuencias graves del daño que le hemos hecho a nuestro planeta, tales como el Efecto Invernadero (Green House Effect, o el calentamiento global de la Tierra) o el hueco en la capa de ozono, capa que nos protege de las radiaciones solares más dañinas. Otra de las consecuencias graves de la contaminación es la problemática que esto ha ocasionado en los depósitos de agua subterránea. Existen grandes masas de agua contaminada debido a las emisiones tóxicas que despedimos al ambiente ya que en una época, y lamentablemente todavía en muchos sitios, los ríos y mares fueron utilizados para depositar desechos industriales. Un ejemplo son las cataratas y el río Niágara en Canadá, a los cuales se lanzaron desechos de polímeros (plásticos) hace muchos años y que no se han podido remover. En nuestro país, en algunas ocasiones han ocurrido derrames petroleros que han contribuido, por ejemplo, a la contaminación del Lago de Maracaibo. Actualmente, producto de la contaminación, en dicho lago crecen algas que consumen oxígeno disuelto y causan la muerte de las especies animales y vegetales. El agua no sólo se contamina por adición directa de desechos. Las partículas y gases contaminantes emitidos a la atmósfera, por ejemplo, por la quema de combustibles animales o vegetales, pueden pasar a las masas de agua a través del ciclo natural de la misma. Por ejemplo, los óxidos de azufre (SOx) y nitrógeno (NOx) producidos en la quema de los combustibles tienen la capacidad de reaccionar con agua para producir ácido sulfúrico y nítrico, que cae a la tierra de nuevo en forma de lluvia ácida. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo VII: El agua y su mundo • fascículo 21


Tratamientos del agua Para evitar el aumento de la contaminación de fuentes de agua, o potabilizar la existente, se han empleado muchos métodos. Entre ellos se encuentra la instalación de plantas de tratamiento de aguas residuales en las que, por diversos procedimientos, se purifican las aguas usadas o contaminadas. También se han pensado mecanismos para “ablandar” las aguas duras. Otro de los tratamientos propuestos es la desalinización del agua, en vista de que la mayor parte del agua de la Tierra es salada. Este tipo de procesos sería de gran ayuda, especialmente en las áreas desérticas y semidesérticas. Aunque se han realizado numerosas investigaciones que conlleven al descubrimiento de vías eficaces para eliminar la sal del agua del mar y de las aguas salobres, todavía nos encontramos ante el problema de que los procesos de desalinización de aguas son muy costosos para ser aplicados a gran escala.

Planta desalinizadora

164

Otro de los problemas relacionados es que en los últimos años se ha visto que ha habido una gran cantidad de fenómenos climáticos relacionados con el agua de una u otra manera. A nivel mundial hemos observado grandes tormentas y huracanes que han ocasionado deslaves e inundaciones por las fuertes lluvias que los acompañan. Todos estos fenómenos son consecuencia de las alteraciones climáticas que sufre actualmente el planeta, debido entre otras cosas, a la contaminación.

Interesante La química “verde” (green chemistry) es un término que se emplea desde hace algunos años para referirnos a los esfuerzos que realizan los que se dedican a la investigación en química por desarrollar procesos “amigables” con el ambiente, es decir, menos contaminantes. Siguiendo las tendencias ecologistas a nivel mundial, los químicos promueven el cuidado de los recursos hídricos de varias maneras. La Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (Environmental Protection Agency, EPA) apoya la investigación y puesta en práctica de tecnologías químicas que reducen o eliminan el uso o producción de sustancias peligrosas en el diseño, preparación y utilización de sustancias y procesos químicos. Existe también una corriente para realizar reacciones en fase sólida y así evitar el malgaste y contaminación del agua. Otra de las tendencias es la de buscar alternativas para llevar a cabo reacciones químicas industriales utilizando como solvente el agua, ya que es el solvente “verde” por excelencia, y además es muy económico. Esto ayudaría, por ejemplo, a reducir las emisiones tóxicas al ambiente al utilizar menos cantidad de solventes orgánicos. Desde el año 2004, en Europa se está desarrollando el proyecto AQUACHEM (con el apoyo de la Unión Europea), cuyo objetivo principal es el estudio de las reacciones en agua, especialmente para dirigirnos hacia procesos mas “verdes”. Estos son sólo algunos ejemplos. Todos los esfuerzos que podamos realizar serán beneficiosos para la conservación y mantenimiento del agua, y por lo tanto, de nuestro planeta. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo VII: El agua y su mundo • fascículo 21


La ONU y el agua La Organización de Naciones Unidas (ONU) ha buscado siempre apoyar las iniciativas para proteger el agua. En una de sus resoluciones acordó que el día 22 de marzo de cada año se celebraría, a partir de 1993, el Día Mundial del Agua. Cada año, en este día se discuten aspectos relacionados con la problemática del agua a nivel mundial. El año 2004 se dedicó a los desastres naturales causados el agua. Por otro lado, a fin de promover la solución de los problemas graves de agua y sensibilizar a la opinión pública acerca de la importancia de un uso y gestión sostenibles de los recursos hídricos, la Asamblea General de la ONU declaró el año 2003 como Año Internacional del Agua, pero dado que la búsqueda de soluciones a la problemática del agua no puede limitarse a un solo año, esta organización ha decidido que la década 2005-2015 será proclamada década del agua. El Día Mundial del Agua 2005 dará comienzo al Decenio Internacional y la acción llevará el nombre "El agua, fuente de vida". La ONU publicó un Informe Mundial sobre el Desarrollo de los Recursos Hídricos que fue presentado durante el III Foro Mundial del Agua realizado en Kioto, Japón. Estos foros, organizados por el Consejo Mundial del 165 Agua, se han convertido en eventos muy importantes para promover políticas sustentables para el manejo del recurso hídrico. El IV Foro Mundial del Agua tendrá lugar en México, en marzo de 2006.

Importante En Latinoamérica, el 60 % de las personas tiene agua de manera intermitentemente. Sólo el 40 % obtiene el recurso permanentemente. Venezuela es uno de los países más ricos en recursos hídricos, la mayoría de los cuales se encuentran concentrados al sur del río Orinoco. El 85 % del agua superficial se produce en los estados Bolívar y Amazonas, mientras el restante 15 % se encuentra en el resto del país. Esta distribución no coincide con la ubicación espacial de la población que en su mayoría está asentada en la región norte-costera, lo cual crea problemas en la demanda del agua.

Hidrografía de Venezuela. Fuente: Gran Enciclopedia de Venezuela (1995). Editorial Globe, Caracas.

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Embalses y represas en Venezuela Como sabemos, las cambiantes situaciones climáticas han tocado también a nuestro país: hemos vivido lluvias en la estación seca y grandes sequías cuando esperábamos la lluvia. Como nosotros no podemos controlar el clima, debemos tratar de conservar el recurso hídrico del que disponemos para evitar desastres futuros. Por ejemplo, estamos seguros de que recuerdas los racionamientos de agua que recientemente tuvimos. ¿Sabes a qué se debían? Fueron parte de un plan de acción de las empresas que nos proporcionan el servicio de agua potable para evitar consumir totalmente el agua de que disponíamos y que tan importante es para nuestras vidas. Por ejemplo, el Embalse de Camatagua, que aporta más del 50 % del agua que se consume en la Zona Metropolitana de Caracas, se encuentra desde el año 2000 en continuo descenso de su nivel debido a la sequía. En efecto, se observó que entre los años 2002 y 2003 dicho embalse llegó a los niveles más bajos de su historia. Si bien gracias a los racionamientos y acciones emprendidas por las empresas responsables, Caracas no se quedó sin agua, es importante que entendamos que debemos hacer uso racional del vital líquido. Revisa bien en tu casa que no hayan derrames, y no malgastes el agua. Sin importar que recientemente haya llovido suficiente, y que los niveles de los embalses estén subiendo, trata de recordar siempre que el agua no es un recurso inagotable.

166

¿Sabías que...? En el estado Bolívar, gracias al caudal de nuestro río Caroní, disponemos de una fuente de producción de energía eléctrica enorme. Nuestra Central Hidroeléctrica Raúl Leoni, conocida también como la represa del Guri, es considerada la segunda central hidroeléctrica más grande del mundo. La electricidad allí producida es suficiente para abastecer a Venezuela y a algunos de nuestros países vecinos. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo VII: El agua y su mundo • fascículo 21


El agua en nuestras vidas En Venezuela, Hidrocapital ha patrocinado diversos tipos de actividades cuyo objetivo principal ha sido que los habitantes desarrollemos conciencia, valoremos y demos uso responsable al agua. La mayoría de los planes han sido aplicados a nivel escolar para que personas como tú aprendan su importancia. La llamada Olimpiada del Agua es una competencia intelectual que da la oportunidad a alumnos y profesores de demostrar y promover los conocimientos sobre el agua, su importancia, formas de ahorrarla y procesos de potabilización, entre otras cosas. Hidroven (casa matriz de las empresas hidrológicas regionales) posee un centro de documentación nacional del agua en donde se puede encontrar información acerca de todas las actividades involucradas con el sector agua. Además se diseñó un programa de concientización llamado El Agua en Nuestras Vidas con el propósito de divulgar conocimientos en la población escolar. Basados en este programa, en el año 2002, Hidroven y sus empresas filiales, en conjunto con Fundación Polar, Hidrocentro, Fundación Tierra Viva y la red de Bibliotecas Públicas del estado Carabobo unieron sus esfuerzos para realizar una serie de muestras llamadas El Agua en Nuestras Vidas; ello con el fin de promover una visión integral sobre el agua y valorizarla como un recurso esencial para la vida.

Personajes de la ciencia venezolana

2005- Centro para la Ciencia y el Ambiente de Nueva Delhi (India) a cargo de la directora Sunita Narain

2004- Sven Erik Jørgensen y William J. Mitsch

2003- Peter A. Wilderer

2002- Ignacio Rodríguez-Iturbe

Premios del Agua de Estocolmo

En el año 2002 la Academia de Ciencias de Suecia entregó el segundo Stockholm Water Prize (Premio del Agua de Estocolmo), considerado como el Premio Nobel del Agua, a un investigador venezolano. Se trata del Dr. Ignacio Rodríguez-Iturbe, hidrólogo. El Dr. Rodríguez-Iturbe nació en Caracas el 8 de marzo de 1942. Estudió en reconocidas instituciones en Venezuela y el exterior (LUZ, Instituto Tecnológico de California, Universidad Estatal de Colorado) y ha trabajado en las principales instituciones de investigación y docencia en nuestro país, tales como LUZ, USB, IVIC, UCV, IDEA y en el exterior (Universidad de Princeton, Instituto de Tecnología de Massachussets, etc.) siempre dedicándose al estudio y conservación del ambiente y el agua. Actualmente se desempeña como profesor de Ciencias Ambientales e Ingeniería Civil y Ambiental en la Universidad de Princeton, una de las más reconocidas de Estados Unidos. Sus investigaciones más recientes tienen que ver con las relaciones entre el medio ambiente y el agua, aspecto que se denomina ecohidrología. Además del Premio del Agua de Estocolmo, el Dr. Rodríguez-Iturbe ha recibido una gran cantidad de premios y galardones en Venezuela y en el mundo, entre los que figuran el Doctorado Honoris Causa de La Universidad del Zulia (2003), el Hydrology Days Award de la Universidad Estatal de Colorado (2002), el Premio México de Ciencia y Tecnología de la República de México (1994) y la membresía en las mejores academias científicas del mundo tales como la Academia del Agua (Suecia, 1999), Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales (España, 2003), Academia de Ingeniería de México (México, 2004), Istituto Veneto di Scienze y Lettere ed Arti (Italia, 2004). Es considerado actualmente como uno de los mayores expertos del mundo en procesos hidrológicos.

167

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Capítulo VIII:


¿Te has preguntado qué tienen en común las sustancias que integran los alimentos, los plásticos, los árboles, las pinturas, los medicamentos, los detergentes, los combustibles y el cuerpo humano? Todas ellas son sustancias orgánicas constituidas por una gran cantidad de átomos de carbono unidos entre sí. ¿Qué pasaría entonces si no existiera el átomo de carbono?

Los términos carbono y carbón son diferentes El carbón es un material constituído principalmente por carbono que se forma por la descomposición, lenta y progresiva, de las plantas que quedaron enterradas hace millones de años por acción del calor y de la presión, mientras que el carbono es el elemento químico al que le dedicaremos todo este capítulo. La naturaleza representa artísticamente la química orgánica. Fuente: http://c3po.barnesos.net/homepage/postdoc1/australia/day5678/day5.html

El mundo de la química

El carbono: Vida y energía El carbono como elemento puro se encuentra en la naturaleza en forma de diamante y grafito. Grafito es la forma amorfa del carbono puro, negro y opaco. Además es blando, exfoliante y untuoso debido a su estructura laminar. Estas propiedades son básicas en la fabricación de lápices y lubricantes. Diamante es la forma cristalina del carbono puro; es transparente y con una estructura compacta y de gran dureza (número 10 en la escala de Mohs) y su temperatura de fusión es de 3 500 ºC. Por sus características tiene una amplia aplicación en la industria de los equipos médicos y en joyería, donde se usa bajo la forma de “brillantes” o diamantes tallados.

El más duro de todos Uno de los usos más llamativos del diamante es en la joyería. Desde tiempo remoto se han tejido mitos y leyendas alrededor de esta piedra. Debido a su gran dureza, se le atribuía el poder de talismán para mantener alejados peligros y mala suerte. Los más famosos provenían de India, eran los conocidos como Koh-i-noor (fotografía inferior izquierda), Orlov, Regent de los que se decía que llevaban la tragedia a sus dueños. En la actualidad las minas de mayor explotación del mineral se encuentran en Sur África, República Democrática del Congo, Sierra Leone y Bostwana. En Venezuela, en el estado Bolívar hay minas en Paragua y Guaniamo.

Fascículo 22


El elemento carbono en la naturaleza Luz solar Emisiones gaseosas de fábricas y automóviles

Ciclo del CO2

El carbono, aunque está presente en la Tierra en un pequeño porcentaje, es uno de los elementos cuyos compuestos están más ampliamente distribuidos en el mundo vegetal y animal.

Fotosíntesis Respiración vegetal

Carbono orgánico

Organismos decompuestos

El carbono es el elemento central y protagonista de la química que lleva su nombre: “la química del carbono”. Este elemento ha hecho posible la existencia y evolución de los seres vivos y de las complejas sustancias elaboradas por ellos.

Respiración animal

Organismos muertos y productos de desecho

Respiración radicular

Fósiles

170

Un poco de historia

Fernández-Morán inspecciona algunos de los componentes de un nuevo tipo de sistemas de lentes superconductores que él y sus colegas desarrollaron. Aparece también la ilustración de su invento “Cuchilla de Diamante para seccionamiento ultrafino al estudio de la estructura fina de tejidos biológicos y metales” patentada en Estados Unidos en 1959. Fuente: Archivo fotográfico IVIC.

El Dr. Humberto Fernández Morán nació en Maracaibo, Venezuela en 1924. Se graduó de médico Summa Cum Laude, a los 21 años, en la Universidad de Munich. Estudió Microscopía Electrónica y Física y se especializó en Neurología y Neuropatología en Estados Unidos. Fue fundador del Instituto Venezolano de Neurología e Investigaciones Cerebrales (IVNIC), precursor del actual Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas (IVIC). Fernández-Morán introdujo el concepto de crioultramicrotomía que es la obtención de estructuras ultra finas seccionando tejidos congelados con el equipo de su creación: el microtomo, cuya parte fundamental es una cuchilla de diamante. Su gran labor ha rendido frutos en el terreno de la bioquímica, la biología molecular, las neurociencias y la medicina moderna. En 1967 recibió la medalla John Scott por la invención del bisturí de diamante. Al año siguiente, la NASA le confió el corte de las primeras muestras de suelo lunar y lo designó investigador principal de su programa. Recibió importantes condecoraciones entre las cuales destacan la Orden del Libertador y el título de Caballero de la Estrella Polar conferido por el rey de Suecia. El IVIC designó con su nombre el Departamento de Biología Estructural creado en 1997. Fernández Morán murió en Estocolmo, Suecia, en el año 1999.

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El carbono, ¿dónde lo encontramos? El carbono se encuentra en una gran cantidad de sustancias orgánicas e inorgánicas. Entre las sustancias inorgánicas sólidas más abundantes tenemos, por ejemplo, a los carbonatos presentes en múltiples minerales. El mármol es una forma cristalina del carbonato de calcio. Entre las sustancias gaseosas, el carbono se encuentra como dióxido de carbono en la atmósfera de la tierra y también en el Sol, estrellas y cometas. El petróleo, recurso minero prioritario para nuestro país, está constituido por hidrocarburos y otras sustancias análogas, donde el carbono es el protagonista principal. Todos los compuestos que involucran reacciones químicas en los seres vivos contienen carbono: vitaminas, proteínas, grasas, azúcares, ácidos nucleicos. Estos compuestos son fundamentales para el mantenimiento de las especies.

La atmósfera de Marte contiene 96% de dióxido de carbono.

Aragonita: Carbonato de calcio, CaCO3, materia prima para la fabricación de la cal, se encuentra en las cuevas de Baruta, estado Miranda.

171

Apoyo didáctico Vamos a determinar el porcentaje de carbonato en una pastilla de antiácido. Deberás preparar una solución de ácido clorhídrico (6,0 m/L) a partir de HCl concentrado. Recuerda añadir el ácido al agua. Procedimiento experimental Arma un equipo como el ilustrado. Vas a conectar una inyectadora sin aguja a un tubo de ensayo. Utiliza un tubo de goma para ello. Por un lado, enchufa la inyectadora. Por el otro, introduce un tubito de vidrio con el que vas a atravesar un tapón de goma mono-horadado, ese es el mismo tapón que deberás ajustar al tubo de ensayo. El émbolo de la inyectadora debe estar introducido en ella hasta una división pequeña de la jeringa desde el fondo. En el tubo de ensayo se colocan 10 mL de ácido clorhídrico 6 molar. Pesa una tableta de antiácido (sobre un papel o un material de vidrio: lámina de vidrio, capsula de petri o material equivalente para no dañar el plato de la balanza) y anota en el cuaderno la masa registrada. Deja caer la tableta de antiácido y rápidamente coloca de nuevo el tapón de goma asegurándote de que no haya fugas. ¿Qué observas? Registra tus observaciones. Concluida la reacción, anota en el cuaderno el volumen de gas desprendido. Se recomienda repetir el experimento por lo menos con 3 pastillas y comprobar la reproducibilidad de los resultados.

Inyectadora

Tubo de goma

Ácido clorhídrico Tableta

Discusión de los resultados. • Escribe la ecuación química balanceada. • Indica el porcentaje del carbonato de (sodio o potasio), principio activo del medicamento en la pastilla y a qué corresponde el otro porcentaje de masa encontrado en la pastilla.

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Química orgánica: La química de los compuestos que contienen cadenas de carbonos Jöns Jacob Berzelius, químico sueco (1779-1848)

Academia Real Sueca de Ciencias.

Los orígenes de la química orgánica (o química del carbono) se remontan al siglo XVIII, cuando Jöns Jacob Berzelius dio el nombre de compuestos orgánicos a los sintetizados por los seres vivos, lo que hizo creer que estos compuestos poseían una “fuerza vital”: la esencia de la vida. Un siglo más tarde se comprobó que el término “fuerza vital” o “esencia vital” carecía de bases científicas, cuando Friedrich Wohler, químico alemán (1800-1882), calentó cianato de amonio, un compuesto inorgánico, y produjo urea, la cual había sido aislada de la orina por Rouelle en 1773. Así, esta primera síntesis realizada en el laboratorio corresponde a la preparación de un compuesto típico de los organismos vivos a partir de materia inorgánica.

O NH4+ + CNO-

H 2N

C

NH2

Úrea, un compuesto orgánico

Interesante 172

Durante varias generaciones ha habido gran controversia respecto a si el Sudario de Turín, una pieza de lino que tiene la imagen de un hombre, fue la mortaja de Jesucristo. La duda radica en que la edad que arrojó el estudio con carbono radiactivo está entre 1260 y 1390 y no 2000 años.

¿Cuántos carbonos hay? En la naturaleza, el carbono se presenta en tres formas isotópicas: el 12C, el 13C y el 14C. Se trata del mismo carbono pero en sus núcleos hay un número distinto de neutrones. Es por ello que la masa atómica es diferente aunque las propiedades químicas relacionadas con los electrones de la capa externa se mantienen.

Isótopo

Neutrones

% Abundancia relativa

12

C

6

100

13

C

7

1,11

14

C

8

10-10

¿Sabías que...? La edad de cualquier sustancia que contenga carbono se puede determinar. Se logra mediante el isótopo de carbono-14. Éste es un isótopo radiactivo que se encuentra en la naturaleza en concentraciones muy bajas (trazas), y es el resultado del bombardeo de neutrones presentes en los rayos cósmicos sobre núcleos del nitrógeno que está en la atmósfera. El isótopo forma 14CO2 que se mezcla con 12CO2, más abundante, y ambos están disponibles en el aire que respiramos y son asimilados de igual manera por los organismos vivos. La relación 12C y 14C se mantiene constante mientras el organismo permanezca vivo, pero una vez muerto ya no ocurre la asimilación (no hay proceso que permita la incorporación de carbono) y como el 14C es inestable, su contenido va disminuyendo con el tiempo. Se ha calculado que a los 5730 años de la muerte de un ser vivo la cantidad de 14C en sus restos se ha reducido a la mitad. Este tiempo se conoce como “vida media” del isótopo y es diferente para cada especie isotópica. Por ser el 14C radiactivo su concentración se determina mediante contadores Geiger.

Martin Kamen, bioquímico americano (1913-2002), descubridor del carbono 14.

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Apoyo didáctico ¿Cuáles átomos se agrupan y cómo se unen entre sí para formar una molécula? Al tener la respuesta conoceremos la “estructura” de la molécula bajo estudio. A lo largo del tiempo se han desarrollado varios métodos de análisis y determinación de estructuras y, aunque en sus comienzos se utilizaba solamente la información recabada de reacciones químicas, hoy día son de gran ayuda (y en ocasiones se emplean con exclusividad) los métodos espectroscópicos. Estos métodos se basan en la absorción de la energía de la radiación electromagnética. Cuando una molécula la absorbe gana energía, lo que produce un aumento en la vibración, rotación de los enlaces o elevación de electrones a mayores niveles energéticos. Estos efectos producidos se traducen como señales que de alguna manera son captadas, amplificadas e impresas en su registro, conocido como espectro. Los métodos espectroscópicos son técnicas que se emplean en química en el análisis y la determinación de la estructura molecular de los compuestos. Uno de estos métodos corresponde a la espectroscopia magnética nuclear (RMN), una técnica de análisis que permite conocer la forma en que están unidos átomos de carbono e hidrógeno. Esta técnica fue desarrollada a finales de 1940 para estudiar los núcleos de los elementos con diferente estado de espín, entre ellos el hidrógeno. La técnica también se aplica a otros elementos. En 1952 Edward Mills Purcell (USA) y Felix Bloch (Suiza) compartieron el Premio Nobel de Física por sus estudios de las propiedades magnéticas del núcleo en las cuales se basa la técnica de RMN. Cuando la técnica utiliza protones como núcleos (RMN-H1) permite identificar y cuantificar protones con diferente ambiente químico. Las señales generadas para cada tipo de protón son registradas y aparecen como picos en diferentes posiciones. La posición de la señal se conoce como desplazamiento químico y su unidad es ppm. La intensidad de cada señal es proporcional al número de protones de cada tipo. Existen tablas que contienen los desplazamientos químicos de los protones con diferentes ambientes químicos, lo que permite la identificación de los fragmentos que componen la estructura molecular.

En 1960, el químico norteamericano Willard Frank Libby recibió el Premio Nobel de Química por sus investigaciones sobre la datación de especímenes en los que el carbono-14 decaía sin renovarse.

173

La presencia natural de 1,11 % del isótopo 13C, en los compuestos orgánicos ha permitido el desarrollo de esta técnica para este núcleo (RMN-C13). Con ella es posible obtener señales que informen sobre cada tipo de carbono y su ubicación en la molécula. El primer equipo de resonancia magnética nuclear en nuestro país se instaló en el IVIC y una imagen del primer espectro se conserva en los archivos de la Sociedad Venezolana de Química. En Venezuela existen importantes equipos de resonancia magnética nuclear en universidades e institutos de investigación. El más avanzado se encuentra en el IVIC con una frecuencia de operación de 500 MHZ y un poderoso imán.

Fuente: Archivo fotográfico IVIC. Cortesía: Dr. Carlos Rivas.

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¿Qué hace que los compuestos de carbono sean ¡Compartir es la clave! El carbono es un elemento de comportamiento excepcional; está ubicado en la segunda fila de la tabla periódica y su posición en ella lo hace apto para compartir electrones como una forma de alcanzar el octeto electrónico y con ello su estabilidad. Con ese fin puede recibir cuatro electrones para alcanzar el máximo de ocho en su capa externa. En los compuestos orgánicos formados solamente por carbono e hidrógeno un átomo de carbono comparte sus electrones con otro átomo de carbono y con átomos de hidrógeno formando así cadenas largas que se conocen como concatenación.

La molécula de octano es un ejemplo claro de concatenación de átomos de carbono en la que se tiene un total de cuatro enlaces.

174

El primero en reconocer el fenómeno de la concatenación, en 1858, fue el químico escocés Archibald Couper (18311895) quien atribuyó a esta propiedad la existencia de la gran variedad de compuestos orgánicos en la naturaleza.

Naturaleza del enlace covalente del carbono: La geometría en la naturaleza Por su posición en la tabla periódica, ¿cuántos enlaces puede formar el carbono: 2, 4 o 6? La estructura electrónica del átomo de carbono muestra dos electrones desapareados en su estado basal tal y como se encuentra en la tabla periódica.

Eteno

C 1s 2s 2px 2py 2pz Etano, eteno y etino son compuestos que contienen el mismo número de átomos de carbono, pero difieren en el número de átomos de hidrógeno ya que los dos átomos de carbono pueden formar enlaces múltiples, doble o triple, en los cuales cada carbono comparte 4 o 6 electrones, respectivamente, y sólo quedan en cada carbono dos electrones en el caso del eteno o un electrón si es el etino, para enlazarse con el electrón de cada átomo de hidrógeno. De todos modos, cada átomo de carbono completa su octeto electrónico. A este fenómeno se le denomina tetravalencia del carbono.

Etino

H 3C

CH3

En las fórmulas de la figura cada raya entre dos letras representa un par de electrones entre los núcleos respectivos. ¿A qué se debe este fenómeno?

Etano

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180º

tan abundantes en la naturaleza? ¿Qué observas en estas 3 estructuras en cuanto a número de elementos unidos a los átomos de carbono y ángulos de enlace H-C-H? ¿Cómo ocurre esto? La explicación se basa en un proceso llamado hibridación de orbitales atómicos del átomo de carbono.

H

H

C

H 109,5º

H

C

H H

H

C

¿Y qué es la hibridación?

H

Es un proceso de mezcla de los orbitales s y p del último nivel electrónico del carbono. Con este proceso se generan cuatro orbitales idénticos, cada uno asociado a un electrón, lo que le permite unirse a cuatro elementos.

C

H

120º

C

C

H

H

H

C 2s

2px

2py

2pz

Promueve

Esquema del proceso de hibridización sp3

C 2s

2px

El proceso involucra la promoción de un electrón en el orbital atómico 2s, a uno 2p vacío, quedando ahora un electrón en cada uno de los orbitales: 2s, 2px, 2py y 2pz. La combinación matemática asociada con las funciones de onda de estos cuatro orbitales genera cuatro orbitales híbridos equivalentes tanto en energía como en orientación espacial. Ellos presentan el 25 % de características del orbital 2s y el 75 % de los orbitales 2p. A esta hibridación se la conoce como sp3, siendo los orbitales atómicos p regiones espaciales ubicadas en los tres ejes cartesianos x,y, z y el orbital s de simetría esférica; los orbitales híbridos resultantes conforman un tetraedro. Es por ello que en un carbono con hibridación sp3 los enlaces que forma con otros elementos están dirigidos a las esquinas de un tetraedro.

sp3

sp3

CH4

CH sp

3

z

x

x

CO2

CO2

Carbono orgánico y carbonatos

ano)

Calentamiento global y metano sp3 sp3 sp3

4 órbitas sp3 y

(met

x

y

z

sp3

175

4

y

sp3

CH4+2O2 = 2H4+CO2

z

x

2pz

C

Nótese que el proceso de hibridación únicamente ocurre para la formación de enlaces que dan origen a las moléculas. En otras palabras, los orbitales híbridos son orbitales moleculares.

z

2py Hibrida

Sedimentos pobres en C13

Los escapes de metano de los suelos polares se consideran claves en los procesos de desglaciación. El metano que se oxida produce dióxido de carbono que junto con el metano que pasa a la atmósfera contribuyen al efecto invernadero de calentamiento de la Tierra.

y

Formación de los orbitales híbridos sp3: El enlace sigma

H C

H H

H

º 1,0 A

H 109,5º

H

C H

H

La molécula de metano contiene un carbono unido a cuatro hidrógenos, utilizando cuatro enlaces covalentes. Los orbitales sp3 se enlazan covalentemente con el orbital 1s del hidrógeno en la dirección del eje que contiene el orbital híbrido y el resultado es un nuevo enlace molecular denominado sigma.

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Orbital híbrido sp2: La molécula de eteno C 2s

2px

2py

2pz

Promueve

C 2s

2px

2py

2pz

Hibrida

C sp2

sp2

sp2

2pz

z P sp

120º

2

x sp2

sp2

120º

Vista superior

Vista 3D

y

Enlace π

Solapamiento sp2-sp2 H

El proceso de mezcla de los orbitales 2s, 2px, 2py y 2pz, cada uno con un electrón, puede ocurrir tomando en cuenta solamente el orbital 2s y dos orbitales 2p. De esta manera se generan tres orbitales híbridos que presentan un 33 % de carácter 2s y un 66 % de carácter 2p. A esta hibridación se la conoce como sp2. Los tres orbitales híbridos se acomodan en un solo plano produciendo un átomo de carbono donde los enlaces que forman los electrones asociados a esos orbitales están separados 120 °. El electrón que ocupa el orbital p no híbrido permanece en un orbital perpendicular al plano que contiene los orbitales híbridos. Cuando dos átomos de carbono con hibridación sp2 se unen entre ellos se forma un enlace sigma por superposición de dos orbitales sp2 y el orbital no híbrido p de un átomo se solapa lateralmente con el orbital no híbrido del otro formando un nuevo enlace covalente conocido como enlace pi. Es así como en el eteno los dos átomos de carbono están doblemente enlazados entre sí, compartiendo así cuatro electrones. Los dos orbitales sp2 restantes de cada carbono se solapan con un orbital 1s de átomos de hidrógeno formando enlaces sigma en la molécula de eteno: C2H4.

H

H H

176

C

C

H

C H Enlace σ

Solapamiento s-sp2

2py

H Enlace σ

Estas estructuras se conocen como insaturadas pues presentan el átomo de carbono unido a tres elementos, en lugar de a cuatro que es el máximo de elementos con que puede unirse.

Orbital híbrido sp

C 2px

C

H

H

2s

H

H C

C

H

Enlace π

2pz

Promueve

Cuando la mezcla de orbitales se lleva a cabo sólo con el orbital 2s y uno 2p se forman dos orbitales híbridos con 50 % de carácter s y 50 % de carácter p que se acomodan a lo largo de un eje. En esta hibridación conocida como sp quedan dos orbitales p no híbridos dirigidos perpendicularmente entre sí y perpendiculares al eje del orbital híbrido sp.

C 2s

2px

2py

2pz

Hibrida

C sp

sp

2pz

2py

z

P

x

sp

P

sp

P

y

Vista 3D

Sistema de enlaces σ y π de la molécula de etino

Si dos átomos de carbono con hibridación sp se unen forman un enlace sigma y los dos orbitales p no híbridos de cada carbono se superponen lateralmente con los equivalentes al otro carbono formando dos enlaces pi y compartiendo los dos átomos de carbono seis electrones. El orbital sp restante de cada carbono se solapa con un orbital 1s de átomos de hidrógeno formando enlaces sigma en la molécula de etilo C2H2 para dar dos enlaces tipo pi.

Hibridación y clasificación de hidrocarburos

H

Cada tipo de hibridación (sp3, sp2 y sp) explica la existencia de familias de hidrocarburos: alcanos, cuatro enlaces sencillos; alquenos, dos enlaces sencillos y uno doble carbono-carbono, y alquinos un enlace sencillo y uno triple carbono-carbono.

C C H

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La gran familia del carbono con todos sus integrantes Actualmente se conocen más de tres millones de compuestos orgánicos y cada año se sintetizan miles de compuestos más. El carbono comúnmente puede formar enlaces, compartiendo electrones con el hidrógeno, los halógenos el oxígeno y el nitrógeno. De manera menos común lo hace con otros elementos de la tabla periódica como P, S, Se, B.

El mundo de la química

Capítulo VIII: El carbono: Vida y energía Un poco de historia Linus Pauling nació en Oregon, EE.UU., en 1911. Es una de las figuras más impactantes del siglo XX en el ámbito científico, como activista político y en el campo de la nutrición. Aplicó la mecánica cuántica a la química. Pauling fue el precursor de la idea de mezclar diferentes orbitales (hibridación). Igualmente se considera el padre de la biología molecular, base para el desarrollo de la biotecnología. En 1954 recibió el Premio Nobel por su trabajo sobre el enlace químico. Durante la segunda guerra mundial participó en el desarrollo de armas como misiles propelentes. Sin embargo, al finalizar la guerra se dedicó a luchar por la paz y por el control del uso de armas nucleares. Recibe por ello el Premio Nobel de la Paz, en 1963, siendo la única personalidad que recibe dos premios individuales. En 1973 fundó el Instituto de Ciencia y Medicina que lleva su nombre. Linus Pauling fue además un abanderado en el estudio del rol de la vitamina C, en la lucha contra el cáncer y el SIDA. Murió en el año 1994.

Fascículo 23


Hidrocarburos

Compuestos orgánicos nitrogenados

Compuestos orgánicos que sólo contienen hidrógeno y carbono. Estos son los alcanos, alquenos, alquinos.

Son compuestos que contienen enlaces carbono-nitrógeno en su estructura. El átomo de nitrógeno forma diversos grupos funcionales en los que éste puede estar unido al carbono por enlaces simples, dobles o triples. Las principales funciones son: aminas, amidas, nitros y cianuros.

β-Caroteno es una sustancia color naranja presente en la zanahoria. Es un hidrocarburo nutriente precursor de la vitamina A.

H H S

N

N

O O

Limoneno es una esencia extraída de la piel de la naranja y del limón.

178

Haluros de alquilo Compuestos orgánicos que contienen enlaces carbonohalógeno.

F

F

H

C

C

F

Br

Familias químicas según el tipo de átomo con el que se combina el carbono Para estudiar los compuestos orgánicos los clasificamos de acuerdo con la presencia en su estructura de otros elementos de la tabla periódica. La participación de tales elementos da origen a una función química que le confiere propiedades comunes a los compuestos que la presentan en su estructura.

COOH

La penicilina, un antibiótico sintetizado por un hongo descubierta por el bacteriólogo Fleming en 1929, es un compuesto orgánico nitrogenado y presenta también S y O.

Compuestos orgánicos oxigenados Son compuestos que contienen enlaces carbono-oxígeno. El átomo de oxígeno forma diversos grupos funcionales uniéndose al carbono mediante un enlace doble o bien mediante un enlace simple. Los principales grupos funcionales son: alcoholes, éteres, cetonas, aldehídos, ácidos carboxílicos, esteres, anhídridos y sales. O C

Cl

H

HO OCH3

Halotano es un compuesto anestésico usado en medicina desde 1956.

Vanillina es una esencia usada en repostería. Es un compuesto oxigenado.

¿Sabías que...? Los alcaloides son compuestos orgánicos que se sintetizan en las plantas; contienen uno o más átomos de nitrógeno y se encuentran en las hojas, tallo, raíz o semillas de las plantas. La cafeína (imagen) y la nicotina son ejemplos de alcaloides. El cigarrillo tiene por lo menos 40 diferentes compuestos orgánicos y no sólo la nicotina es peligrosa, también lo son los compuestos como el alquitrán (una mezcla de hidrocarburos pesados) que se depositan en las vías respiratorias.

O H3 C

N

N

O

CH3

N

N

CH3

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Reacciones en los compuestos orgánicos Como todas las reacciones, una reacción orgánica involucra la ruptura y la formación de enlaces. La diversidad de reacciones de los compuestos orgánicos es inmensa, pero en general casi todas pertenecen a uno de los tres tipos de reacciones: Sustitución: reacción en la cual un átomo o grupo de una molécula es sustituido por otro átomo o grupo. Eliminación: reacción en la cual se quitan átomos o grupos de átomos cercanos para formar dobles o triples enlaces. Adición: reacción en la cual se generan nuevos enlaces por adición de átomos o grupos a un enlace múltiple. Cada familia de compuestos se caracteriza por un tipo de reacción predominante. Para cada caso verás un ejemplo interesante.

179

¿Y cómo ocurren las reacciones? La forma en la que se rompen y forman enlaces en una reacción orgánica se explica por medio del “mecanismo de la reacción”. En la ruptura y formación de un enlace están involucrados electrones y la forma en la que ellos se mueven en la reacción es la clave del mecanismo. La representación didáctica del movimiento de los electrones se lleva a cabo por medio de flechas curvas que indican que los electrones se desplazan siempre hacia un centro deficiente de electrones o se mueven, por la ruptura de un enlace, hacia el elemento más electronegativo. La reacción de bromuro de hidrógeno con 2-buteno es un ejemplo de adición a dobles enlaces, impulsada por la polarización del enlace halógeno-hidrógeno.

H CH3

C H 3C

H2 C

C H H

∂+

Br ∂-

H 3C

CH

CH3

Br

¿Cuál reactivo tiene la iniciativa? La reactividad de un compuesto orgánico está determinada por los elementos que componen su estructura. Así, los sitios en los que puede ocurrir una reacción son específicamente los átomos o grupos funcionales en los cuales se genera una deficiencia o disponibilidad extra de electrones. Los sitios deficientes en electrones se identifican con cargas positivas y aquellos con disponibilidad de electrones se identifican con cargas negativas, cuando se generan iones positivos o negativos, respectivamente. Si la deficiencia o el exceso de electrones no llega a la condición de iones, los sitios se muestran con cargas parciales positivas o negativas, según corresponda. En todo caso, tales sitios se refieren como “electrófilos” cuando son deficientes de electrones o “nucleófilos” en caso contrario. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo VIII: El carbono: Vida y energía • fascículo 23


Los alcanos El fenómeno de “concatenación” es capaz de producir compuestos que aún estando constituidos solamente por carbono e hidrógeno (hidrocarburos) pueden presentarse como cadenas abiertas o cerrarse en los extremos formando ciclos. En ambos casos pueden ocurrir “ramificaciones” que se originan cuando un mismo átomo de carbono se une a más carbonos que los dos átomos de carbono vecinos. Así, se conocen alcanos de “cadena recta” y “ramificados”. Dos compuestos con el mismo número de átomos de carbono e hidrógeno que difieren en la cadena, recta o ramificada, son entre sí isómeros de cadena. Si todos los átomos de carbono tienen hibridación sp3, los compuestos generados pertenecen a la familia de los alcanos y en ellos todos los enlaces son simples y se les conoce como “compuestos saturados” porque aún bajo condiciones extremas les es imposible incorporar una molécula de hidrógeno sin romper la cadena carbonada. Se obtienen principalmente a partir de fuentes naturales, por ejemplo, por destilación del petróleo.

Proyecto para planta de alquitrán

180

Las llamadas “series homólogas” corresponden a un conjunto de compuestos de una misma familia, por ejemplo, los alcanos, que difieren entre sí en el número de átomos de carbono. Para las series homólogas de los alcanos la fórmula molecular está dada por la relación Cn H2n+2, siendo n un número entero. Para cualquier miembro de la familia esta relación permite saber el número de átomos de hidrógeno conociendo el de carbono, o viceversa.

Alquitrán La destilación fraccionada del petróleo permite separar algunos de sus componentes de acuerdo con el número de carbonos que los constituye. El alquitrán es una de las fracciones constituida por compuestos de más de 25 átomos de carbono con una temperatura de ebullición superior a 400 °C. Contiene alcanos cuya masa molar relativa es superior a 500. Se usa en la industria del caucho.

Interesante El metano es el alcano más pequeño ya que tiene un solo átomo de carbono. Se obtiene fermentando la biomasa (desechos orgánicos) en ausencia de aire. En estas condiciones, la biomasa es descompuesta por bacterias y un producto de la descomposición es el metano. El residuo que queda al fermentar la biomasa es un producto inodoro que se usa como fertilizante. El Modelo Físico (fotografía izquierda) del Proyecto Agricultura Tropical Sostenible que lleva adelante Fundación Polar en San Javier, estado Yaracuy, tiene como fuente de energía el aprovechamiento de este gas que proviene de los desechos de las cochineras. Estos desechos pasan a través de un biodigestor y de allí van a las lagunas donde se cultivan plantas acuáticas que se usan en la alimentación de animales. El metano puede usarse como combustible ya que como ocurre con otros hidrocarburos cuya combustión con oxígeno produce CO2 y agua, da lugar a lo que se conoce como una reacción “muy limpia” o no contaminante:

CH4 + 2O2

CO2 + 2H2O

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Nomenclatura: Un mismo idioma para todos Gracias a las reglas de nomenclatura, todos los científicos del mundo pueden nombrar a los compuestos orgánicos de la misma manera sin importar el idioma. A principios del siglo XX, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC: Internacional Union of Pure and Applied Chemistry) desarrolló el sistema de nomenclatura, el cual relaciona el nombre de los compuestos con su estructura molecular.

El butano es utilizado para el funcionamiento de los yesqueros a gas.

Reglas IUPAC para nombrar los alcanos • •

Todos los nombres de los alcanos incluyen la terminación “ano”. Para nombrar los alcanos de cadenas no ramificadas, basta con contar el número de carbonos en la cadena. Para los cuatro primeros existen nombres asignados: metano (1C), etano (2), propano (3) y butano (4) y a partir del quinto se antepone el prefijo correspondiente: penta- (5), hexa- (6), hepta- (7), octo- (8), etc. Para nombrar los alcanos de cadena ramificada, se siguen las siguientes reglas: - Debe conocerse el nombre de los “grupos alquilo” o “ramas” que van unidas a la cadena más larga de carbonos. - Se elige la cadena más larga y se enumera a la continuación del extremo más próximo a un radical. Esta cadena es la que le da nombre al hidrocarburo. - Se leen primero los radicales anteponiendo un número localizador y por orden alfabético. Si en un mismo carbono hay dos radicales iguales se repite el número. - Si un mismo radical está repetido dos o más veces, se indica con los prefijos di-, tri, penta... - Para nombrar los alcanos de cadena cerrada, se añade el prefijo cicloal nombre asignado de acuerdo con las reglas anteriores.

CH3

Metilo

CH2CH3

Apoyo didáctico

El butano es el utilizado para el funcionamiento de los yesqueros a gas.

CH3

CH3 CH

CH3

181

CH3

2, 3-dimetilbutano

CH2CH2CH3

Etilo

CH

Propilo

1 500 ºC blanco

Demostración. Mechero de gas Uno de los instrumentos de mayor uso en el laboratorio para calentar es el mechero. La llama que se produce es producto de la combustión de una mezcla de gases propano y butano en presencia de oxígeno. Cuando la combustión es completa la llama es azul, y amarilla o roja si es incompleta. Actividad No.1. Identificar las partes del mechero.

1 300 - 1 500 ºC blanco naranja

900 - 1 300 ºC naranja

Actividad No.2. Encender el mechero. Actividad No.3. Observar los colores de la llama y relacionarlos con la combustión. Actividad No.4. Identificar zonas de la llama azul. Actividad No.5. Elaborar una tabla que indique temperaturas de las zonas de la llama, en función de la coloración que tenga un alambre de cromoníquel al ser introducido en las diferentes zonas.

700 - 900 ºC rojo naranja

500 - 700 ºC rojo oscuro

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Propiedades de los alcanos +

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La figura muestra un diagrama de la forma en la que los dipolos interactúan y por ello las moléculas se organizan en el medio donde se encuentran.

Como recordarás, cuando hablamos del modelo del enlace iónico se dijo que las interacciones electrostáticas se crean cuando los átomos presentes tienen valores de electronegatividad. Igualmente, recordarás los conceptos de polarización y de dipolo que se ponen de manifiesto cuando los elementos que forman el enlace tienen también diferentes valores de electronegatividad. Sin embargo, así mismo se observan fuerzas muy débiles de atracción en moléculas constituidas por átomos que prácticamente tienen la misma electronegatividad, por ejemplo C y H, y ello fue atribuido por Van der Waals a “dipolos instantáneos” que cambian constantemente la dirección de polarización y son las únicas fuerzas intermoleculares de atracción que mantienen unidas las moléculas de un alcano. Por esta razón, los alcanos de bajo peso molecular (metano, etano…) son gases, pero a medida que el número de carbonos en la serie homóloga aumenta también lo hace el número de pequeños dipolos instantáneos porque crece el número de enlaces C-C y C-H y así las moléculas se mantienen más fijas, y el compuesto se presenta a temperatura ambiente, como líquido (pentano) o sólido (octano). Los alcanos con más de 18 átomos de carbono son sólidos a temperatura ambiente.

182 Temperaturas de ebullición de diferentes alcanos

600

Los aliados de la limpieza La solubilidad de los alcanos determina uno de sus usos más conocidos a nivel doméstico y es que dado su carácter no polar los alcanos disuelven las sustancias grasas no polares, similares a ellos. Por ello, son excelentes disolventes de la grasa.

400

200

0 C1

C5

C10

C15

C20

Nº de átomos de carbono

Otra propiedad de los alcanos asociada con la facilidad de agregación es la “densidad”, la cual crece al aumentar el peso molecular. Sin embargo, siempre su valor es menor que la del agua. Es por ello que cuando ocurren los derrames de petróleo, éste permanece en gran medida en la superficie del agua. En la mayoría de los casos los derrames se deben a accidentes de los buques-tanque que transportan el petróleo; también ocurren debido a las fugas en los equipos de perforación marina. Las playas contaminadas por petróleo requieren de, al menos, un año para su recuperación cuando tienen corrientes y olas fuertes, pero las playas que no tienen estas características tardan varios años en reponerse.

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Iguales... pero diferentes: Isómeros La gran diversidad de compuestos orgánicos se debe, en gran parte, a la posibilidad de encontrar compuestos con la misma fórmula molecular, pero que no son iguales ni en estructura ni en propiedades físicas y químicas. Esta característica se denomina isomería. La estructura del compuesto orgánico queda definida, según su fórmula empírica o molecular, por el orden en que están constituidos los átomos y por su disposición en el espacio. Los compuestos que pertenecen a algunas de las categorías anteriores se conocen como isómeros. Hay varios tipos de isómeros.

H2 C

Un árbol con muchas ramas En los alcanos podemos encontrar isómeros constitucionales en el subtipo conocido como isómeros de cadena: tienen igual composición pero diferente arreglo de sus componentes. El n-hexano (C6H14) y el 2,2-dimetilbutano (C6H14) son isómeros de cadena y sus propiedades físicas son diferentes.

H2 C C H2

H 3C

CH3 C H2

H2 C

n-hexano

183

CH3 C

H 3C

2,2-dimetilbutano H 3C

CH3

¿Qué isómero le pones a tu carro? En el proceso de destilación del petróleo, la fracción que se obtiene, entre 40-200 ºC, corresponde a la gasolina. Otra forma de obtenerla es a partir de alcanos con más de doce átomos de carbono por craqueo catalítico, es decir, por ruptura de la cadena carbonada mediante calor y en presencia de un catalizador. El resultado será una mezcla de alcanos de cadena más corta. Cuando vamos a una estación de servicio a surtir de gasolina a nuestro vehículo, nos preguntan: “¿De cuántos octanos?”. Pero, ¿qué significa ese número? El número de octanos es la fuerza con la que arde la gasolina y el número de detonaciones que produce el motor. Se creó una escala que relaciona a diferentes alcanos y sus propiedades de combustión. En el caso del heptano, por ser su combustión muy mala es el cero de la escala; el máximo es de 100 y corresponde al isooctano. El resto de los valores entre el mínimo y el máximo se construyó quemando diferentes mezclas de ambos alcanos en motores de prueba. El número de octanos de una gasolina es el porcentaje de isooctano en la mezcla. Los alcanos ramificados producen mejor detonación que los de cadena lineal. El número de octanos de n-hexano es 25 y del 2,2-dimetilbutano es 92.

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Reactividad de los alcanos Los alcanos son compuestos poco reactivos debido a que no tienen sitios de reacción con electrones disponibles o deficiencia de ellos. Es por ello que no sufren transformaciones en presencia de metales, ácidos, bases o agentes oxidantes sin la ayuda de fuentes calóricas. Sin embargo, los alcanos son excelentes combustibles y, en presencia de oxígeno, arden bien y desprenden dióxido de carbono y agua.

C2H4 + 3O2 2CO2 + 2H2O

Reacciones de alcanos con halógenos: ¡Fuera de control!

Los enlaces C-C y C-H, no polarizados y difíciles de romper, pueden ceder ante la presencia de especies muy reactivas, denominadas radicales libres. Las moléculas de cloro y bromo suelen generar radicales libres por ruptura homolítica de sus enlaces, promovida por calor o luz, generando Cl y Br radicales. Estos radicales son sumamente energéticos y en su choque con una molécula de alcano libera suficiente energía como para promover la ruptura de los fuertes enlaces C-H. La ruptura de un enlace C-H es seguida por la formación de un nuevo enlace C-halógeno; este proceso se denomina halogenación y es una reacción de sustitución. En el producto final, un átomo de hidrógeno es sustituido por uno de halógeno. UV

184

H H C H H

Clorofluorocarbonos y la capa de ozono Los clorofluorocarbonos, CFC, son pequeñas moléculas gaseosas que contienen cloro, flúor y carbono. Se desarrollaron debido a la búsqueda de nuevos agentes refrigerantes no tóxicos. Su uso en lavanderías, equipos de refrigeración y latas de aerosoles (desodorantes, fijadores, crema batida) ha creado un problema de contaminación en el ambiente ya que ellos no se biodegradan ni se destruyen químicamente con facilidad. Gracias a su alta volatilidad, estos compuestos se elevan lentamente hacia la capa superior de la atmósfera y se ubican a nivel de la capa de ozono. Aquí los rayos ultravioleta provenientes del Sol son absorbidos por los CFC y se producen radicales libres que reaccionan a su vez con el ozono, consumiéndolo lentamente. Recordemos que el ozono (O3) es muy importante pues constituye un filtro de los rayos ultravioleta C y parte de los rayos UVB, los más dañinos para los organismos vivos: de esta manera el ozono garantiza la existencia de vida sobre la superficie terrestre. La radiación ultravioleta Β (280 nm-320 nm) causa, entre otros daños, cáncer de piel, quemaduras solares, afecciones oculares.

H H C H

La reacción de bromación del metano puede terminar en un proceso indetenible si la disponibilidad de bromo es excesiva, llegando a reemplazar todos los átomos de hidrógeno.

H Radical libre nuevo

Los rayos ultravioleta golpean la molécula de fluorocarbono dejando libre un átomo de cloro

CFC

Una vez libre, el átomo de cloro puede atacar otra molécula de ozono

Cl Cl O2

Un átomo libre de oxígeno extrae un átomo de oxígeno de la molécula de monóxido de cloro

ClO

Cl O

O3 El átomo de cloro ataca una molécula de ozono extrayendo un átomo de oxígeno

El átomo de cloro se une al átomo de oxígeno para formar una molécula de monóxido de cloro

ClO

O2 La destrucción del ozono de la estratósfera por los átomos de cloro es el resultado del rompimiento de los clorofluorcarbonados en la atmósfera

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Alquenos y alquinos Como se ha comentado anteriormente, dos átomos de carbono pueden unirse a través de un enlace sencillo o a través de enlaces múltiples, dobles o triples, para los cuales los átomos involucrados asumen una hibridación sp2 o sp, respectivamente. Los ejemplos más sencillos están representados por las moléculas de eteno, al que también se conoce como etileno (perteneciente a la familia de los alquenos), y de etino, cuyo nombre común es acetileno (perteneciente a la familia de los alquinos). A los hidrocarburos que presentan estos enlaces se les denomina “insaturados”. Para nombrar los alquenos se usa la terminación “ano” de los alcanos con igual número de átomos de carbono y se sustituye por “eno”; en el caso de los alquinos la terminación será “ino”. Por ejemplo: pentano, penteno, pentino. El etileno (H2C = CH2) es a menudo empleado para acelerar la maduración de frutos como el tomate.

El mundo de la química

Capítulo VIII: El carbono: Vida y energía

El acetileno (HC CH) es un gas que arde con llama muy calorífica (3 500 °C) y por ello se emplea como fuente de calor muy intensa en sopletes oxiacetilénicos usados para soldar y cortar metales. Antes del uso de la electricidad para el alumbrado público, el acetileno era el gas que ardía en los faroles, los cuales se alimentaban con carburo de calcio que al mojarse con agua producía el acetileno que el “farolero” encendía. El acetileno es materia prima importante en al fabricación de ácido acético y plásticos. Como para los alcanos, los alquenos con un solo doble enlace tienen como fórmula general CnH2n; la fórmula general de los alquinos con un solo triple enlace es CnH2n-2. Los hidrocarburos insaturados pueden contener más de un enlace múltiple. Aquéllos en cuya estructura se alternan varios enlaces simples y múltiples se conocen como hidrocarburos conjugados.

Fascículo 24


Se parecen, pero no hay que confundirse A diferencia de los alcanos donde los enlaces sencillos permiten la rotación del enlace que conecta los carbonos, en los alquenos el doble enlace no puede rotar sobre sí mismo y, en consecuencia, los átomos unidos a los dos carbonos que forman el doble enlace pueden tener dos orientaciones relativas diferentes: estar del mismo lado o en el lado contrario, lo que se conoce como isomería cis-trans. El isómero cis de un determinado alqueno difiere en sus propiedades del isómero trans, aunque presenten la misma fórmula molecular.

Fibras del nervio óptico

Rodopsina

H 3C

CH3

Interesante

membrana

CH3

Fotoreceptores 11-cis-retinal

O H 3C

CH3

Opsina

CH3

cis-retinal

Los conos y bastones que se encuentran en la retina poseen una proteína responsable del proceso de la visión llamada rodopsina, la cual contiene un fragmento de cisretinal, un compuesto conjugado con un doble enlace cis. Durante el proceso de la visión hay un cambio, activado por la absorción de luz, de cis-retinal a trans-retinal.

Citoplasma

CH3

H CH3

H O

CH3

trans-retinal

Estructura de beta-caroteno H 3C H 3C

CH3

CH3

CH3

186 CH3

CH3

H 3C

CH3

CH3

El color de los compuestos orgánicos está asociado con la presencia de varios enlaces conjugados. Las moléculas como el retinal o el beta-caroteno tienen la característica de ser coloreada. El beta-caroteno es de color naranja y se encuentra en naranjas, zanahorias y melocotones; el licopeno, otro compuesto altamente conjugado, es de color rojo y se encuentra en tomates, patillas y toronjas.

Apoyo didáctico Actividad de laboratorio. El arcoiris del jugo de tomate El licopeno es un compuesto insaturado de color rojo que cuando se le adiciona bromo cambia de color (y por un gradiente de concentración causa el efecto de un arcoiris) que es la reacción característica de los alquenos; el color desaparece a medida que se adicionan átomos de bromo a más dobles enlaces. Los colores son indicativos de las especies intermedias que se producen en la reacción.

Solución saturada de agua de bromo

Agitador

Procedimiento Coloca en un cilindro graduado 10 ml de jugo de tomate y añade lentamente entre 1,0 - 1,5 ml de una solución saturada de agua de bromo (6,0 x 10-2 mol/l). Espera a que el agua de bromo se difunda y observa los colores. Registra la altura en que se encuentran los colores. Para probar la dependencia del color con la concentración, añade a un vaso de precipitados 20 ml de jugo de tomate y 4 ml de la solución de bromo, agita, y paulatinamente ve añadiendo, de 1 ml en un 1 ml, soluciones de bromo.

Jugo de tomate

Registra los colores desde el inicio hasta el final. Usa un círculo de colores para indicar cuáles colores absorbían las capas que se formaron durante la reacción.

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Los alquenos promueven la creación de gigantes Si al mirar a tu alrededor te detienes a observar los materiales y te preguntas de qué están hechos en su mayoría, ¿cuál es la primera palabra que dices?: ¡Plástico! Un plástico o polímero es una molécula gigante que se forma a partir de unidades pequeñas o monómeros, mediante un proceso conocido como polimerización.

CH2 = CH Cl + Catalizador

CH2-CHCl + CH2=CH2

CH2 CH Cl

CH2-CHCl-CH2-CHCl

La naturaleza es un gran productor de polímeros, uno de ellos es la celulosa que constituye el algodón, materia prima de la industria textil. La mayoría de los polímeros que se usan en la actualidad son de origen sintético. Éstos se obtienen a partir de reacciones de adición. Los factores que han favorecido el mercado de los plásticos son los precios competitivos y, a veces, inferiores a los de los productos naturales, y el hecho de que el petróleo ofrece una mayor disponibilidad de materiales sintéticos que otras fuentes naturales. Los alquenos constituyen el producto de partida para muchos procesos de polimerización por adiciones sucesivas a dobles enlaces. La preparación del policloruro de vinilo (PVC) es un buen ejemplo de polimerización que se lleva a cabo usando radicales libres como iniciadores del proceso. El policloruro de vinilo se utiliza en la realización de tubos hidráulicos, películas delgadas de uso en la fabricación de ropa, bolsas “plásticas” y otros plásticos de “vinilo”.

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

H

Cl

H

Cl

H

Cl

Policloruro de vinilo

Símbolo para el reciclaje del policloruro de vinilo (PVC) que debe aparecer en los productos manufacturados con este material

3

187

¿Sabías que...? El primer polímero sintético se llamó celuloide y fue sintetizado por el inventor estadounidense Wesley Hyatt (1837-1920), quien quiso sintetizar un sustituto del marfil para hacer bolas de billar. El compuesto, que es nitrato de celulosa, sirvió para fabricar películas fotográficas, lo que permitió que se desarrollara esa industria a fines del siglo XIX.

A la masa de celuloide se le pasa por unos rodillos para obtener el material en forma de hoja.

A través de su proceso para la sustitución del marfil, Hyatt sentó las bases de la fotografía moderna.

Al celuloide se le disuelve para obtener un plástico maleable y uniforme.

En moldes calientes se coloca el celuloide.

Se desenmolda y se pulen las bolas de billar resultantes del proceso.

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Propiedades de alquenos y alquinos H CH3 H-Cl

CH3

Cl-

CH3

CH3

Los alquenos y alquinos presentan propiedades similares a los alcanos. Son poco polares y sus temperaturas de ebullición dependen de las fuerzas de Van der Waals. Los alquenos se obtienen principalmente del “cracking” del petróleo y también a partir de reacciones de eliminación de otros compuestos orgánicos.

Reactividad en los enlaces múltiples H

H CH3

CH3

+

CH3

Cl CH3

188

Cl

Los alquenos y alquinos son más reactivos que los alcanos ya que poseen enlaces múltiples con alta densidad electrónica que constituyen sitios de reacción hacia reactivos deficientes de electrones. La reacción de adición es característica de estos enlaces. Con esta reacción los átomos de carbono involucrados en el doble enlace cambian su hibridación sp2 y sp3.

Consideremos la adición de HCl a un doble enlace, que en este ejemplo es parte de un ciclo, formando la molécula de 1,2-dimetilciclopenteno. Debido a la diferencia en electronegatividad entre el Cl y el H, el HCl es un dipolo permanente y como resultado de la adición tendremos a un carbono del doble enlace unido al hidrógeno y el otro al cloro. Si recordamos que los carbonos que forman el doble enlace, y los sustituyentes unidos directamente a ellos, están ubicados en un plano, el átomo de cloro puede atacar por el mismo lado del plano, por donde se une el hidrógeno, o por el lado contrario. Ello originará dos productos de adición que son isómeros y, como en el caso de los isómeros cis y trans de los alquenos, se diferencian en las posiciones relativas de los sustituyentes sobre dos carbonos. Estos isómeros forman parte de un gran grupo conocido como “estereoisómeros”.

¿Sabías que...? Los alquinos son ácidos, pero no tanto. Los alquinos son lo únicos hidrocarburos que tienen un comportamiento ácido frente a bases fuertes. El orbital con hibridación sp hace al carbono más electronegativo que aquellos con hibridación sp2 y sp3. Así es posible sustituir el H del acetileno por un metal. Bajo ciertas condiciones se pueden preparar acetiluros metálicos llamados también “carburos”, donde un metal Cu, Ag, etc., está unido a un carbono del acetileno. Son compuestos inestables: el carburo de calcio es un ejemplo. En la imagen tenemos una piedra de carburo de silicio.

¿Quieres saber más? Los alquinos también se encuentran en la naturaleza. Mientras en Occidente las ranas se usan para la alimentación, en China y en Amazonas se utilizan sus glándulas cutáneas con fines medicinales. La rana Dendrobates histrionicus segrega la histrionicotoxina, la cual presenta propiedades de gran interés para el posible tratamiento de la enfermedad de Alzheimer.

NH

OH

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Compuestos orgánicos aromáticos En la antigüedad se le daba el nombre de “aromáticos” a aquellos compuestos extraídos de las plantas que expelían fragancias agradables; en la mayoría de los casos se trataba de mezclas de varios tipos de moléculas. Hoy día el concepto de “aromático” se asocia con la estructura molecular. Se consideran aromáticas aquellas moléculas que reproducen la estructura del benceno: un hidrocarburo cíclico de seis carbonos en el cual se alternan dobles y simples enlaces. Esta condición implica que todos los átomos de carbono que forman el ciclo poseen hibridación sp2. Dos, tres, cuatro o más anillos de benceno pueden unirse para formar hidrocarburos conocidos como “bencénicos”, entre ellos el naftaleno, el antraceno, el fenantreno, el benzopireno, etc. En estas estructuras uno o más átomos de hidrógeno pueden ser remplazados por otros átomos o grupos de átomos: OH, NH2, halógenos, CH3… y se origina una gran variedad de compuestos que ofrecen las más diversas propiedades y aplicaciones industriales.

Benceno

Naftaleno

Fernantreno

189

Antraceno

Hidrocarburos bencénicos El benceno, el naftaleno y la gran familia de hidrocarburos bencénicos son cancerígenos. El benzopireno es uno de los más cancerígenos. Este hidrocarburo se forma por la combustión incompleta de ciertos compuestos orgánicos. Ellos se encuentran en los alimentos ahumados, en el humo del cigarrillo, en las chimeneas, en el escape de automóviles. La incidencia de cáncer de pulmón está asociada con los fumadores y hábitos de consumo de alimentos a la parrilla. Estas estructuras sufren procesos de oxidación que a nivel biológico se ubican en los pulmones y son promovidas por la acción de la enzima citocromo P450.

Benzopireno

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Hidrocarburos bencénicos Michael Faraday, químico y físico inglés (1791-1867), conocido principalmente por sus descubrimientos sobre la inducción electromagnética y las leyes de la electrólisis, fue quien aisló por primera vez, en 1825, el benceno, a partir del gas que se obtenía del aceite de ballena utilizado para iluminar las edificaciones en la ciudad de Londres.

Faraday explicándole al público la importancia de sus descubrimientos

190

Determinar la estructura del benceno fue un reto importante para muchos químicos en el siglo XIX. Friedrich A. Kekulé, químico alemán (1829-1896), fue el primero en postular la estructura cíclica con dobles y simples enlaces alternados. Sin embargo, su modelo no consideraba el hecho de que todos los enlaces en el benceno tienen la misma longitud, mientras que los dobles enlaces de los alquenos son más cortos que los enlaces sencillos de los alcanos.

¿Y cómo se llaman los bencénicos? Los derivados de benceno surgen anteponiendo el nombre del sustituyente a la palabra benceno: nitrobenceno, metilbenceno (tolueno es su nombre común), bromobenceno, etc. Frecuentemente se encuentra más de un sustituyente en el anillo, en cuyo caso se le coloca el número localizador más bajo posible a cada uno. En los compuestos disustituidos se emplean los prefijos orto (sustitución 1,2), meta (sustitución 1,3) y para (sustitución 1,4) y a continuación los sustituyentes: CO2H

OH

OH

OCH3

OH NH2 PABA Ácido para-aminobenzoico

Resorcinol meta-dihidroxibenceno

Guayacol orto-metoxifenol

¿Sabías que...? En química orgánica podemos identificar que un compuesto se ha oxidado cuando sus enlaces C-H han sido transformados en enlaces C-O, C-N o C-S. Así mismo, podemos identificar si una especie ha sido reducida cuando sus enlaces C-O, C-N o C-S han sido transformados en enlaces C-H. Así podemos decir que el fenol es un producto de oxidación del benceno.

Estatua de Kekulé en la Escuela de Química de la Universidad de Bonn, Alemania.

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Aromaticidad Una de las características importantes de los hidrocarburos bencénicos es su gran estabilidad porque aún teniendo dobles enlaces no sufren reacciones de adición típicas de los alquenos y, en su lugar, abundan las reacciones de sustitución. Por otra parte, ¿cómo puede explicarse que todos los enlaces en el benceno tienen la misma longitud y que todos los átomos de carbono presentan la misma reactividad? La “aromaticidad” es la respuesta a esas observaciones. Si todos los carbonos que forman el ciclo tienen un electrón en un orbital 2p no híbrido (hibridación sp2), la superposición paralela de los seis electrones crea una nube electrónica sobre toda la estructura plana que se genera por la unión de los enlaces sigma de los seis átomos de carbono. La condición para que un compuesto sea aromático es que conforme sistemas cíclicos planos con dobles y simples enlaces alternados y que el número de electrones que forman parte de la nube sea igual a 4n + 2 (n es un número entero). Para el benceno n = 1, para el naftaleno n = 2, etc.

Híbridos de resonancia La representación gráfica de la molécula de benceno es tal que se pueden ubicar los dobles enlaces alternadamente de las dos maneras indicadas en la figura, cada una de ellas se conoce como “estructura de resonancia”. La molécula de benceno es un híbrido de ambas estructuras.

En A se observan los lóbulos p, en B se representa la superposición de los lóbulos de orbitales p que confieren la gran estabilidad aromática.

191

A

B

Productos de reacciones de sustracción aromática O C N-Na+

La sacarina es un derivado del alquitrán y fue el primer edulcorante sintético. Se le llamó sacarina por su sabor dulce análogo al de la sacarosa o azúcar común.

NO2

Si se hace reaccionar el nitrobenceno con hidrógeno se obtiene la anilina, producto importante para la industria de colorantes.

S O

O

O

N

Cl

N

Diazepam (Valium), tranquilizante.

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Compuestos orgánicos oxigenados ¡El oxígeno se ha incorporado al esqueleto del hidrocarburo! Los compuestos orgánicos oxigenados son abundantes en los sistemas biológicos; esto se debe, sencillamente, a que gran parte de la vida sobre la tierra depende del oxígeno y la diferencia en electronegatividad, entre ellos, da lugar a la polarización del enlace con el consecuente aumento de la reactividad. Los alcoholes son los derivados más famosos; se conocen desde la Antigüedad y representan al grupo funcional más abundante. Su uso se extiende desde la medicina hasta la industria. También son precursores químicos de otros compuestos oxigenados como los aldehídos, cetonas y ácidos carboxílicos.

Y su nombre es... Los alcoholes se nombran cambiando la –o al final del nombre del hidrocarburo de referencia por la terminación –ol. Si el grupo –OH no está en un carbono extremo, debe indicarse su posición con el número localizador más bajo posible. Si hay varios grupos funcionales alcohol, se antepone a la terminación -ol el prefijo que lo indique: di-, tri-, tetra-.

OH

192 Ciclohexanol

H 2C

OH

HC

OH

H 2C

OH

Alcohol dehydrogenasa

1,2,3-propanotriol Propanol

Glicerina

Función alcohol Un alcohol resulta de sustituir un átomo de hidrógeno en un hidrocarburo por un grupo hidroxilo, -OH. En los poli-alcoholes esta operación se lleva a cabo más de una vez. Una de las propiedades físicas que marca la diferencia con los hidrocarburos es la tendencia a presentar mayores temperaturas de ebullición y fusión. Así mismo, la solubilidad de los alcoholes en agua para moléculas con un número de hasta cuatro carbonos, es elevada comparada con la de los hidrocarburos. Estas propiedades se deben a la presencia del grupo hidroxilo -OH, el cual permite que se generen fuerzas de interacción intermolecular adicionales a las ya conocidas fuerzas de Van der Waals. Tales fuerzas surgen de la atracción débil de los átomos de hidrógeno del grupo OH del alcohol con un par de electrones del oxígeno de otra molécula de agua o de alcohol. Esta interacción, que no es tan fuerte como un enlace covalente, se conoce como “puente de hidrógeno” y es posible gracias a la polarización del enlace H-O. Como se observa en la figura, la posibilidad de formar puentes de hidrógeno entre metanol y agua permite explicar en parte su solubilidad. Así mismo, la formación de puentes de hidrógeno entre dos moléculas de metanol permite explicar su alta temperatura de ebullición (TE), al compararla con la del metano como hidrocarburo de referencia. TE metanol = 65 ºC; TE metano = -162 ºC.

Fermentador para la producción de alcohol etílico a escala de laboratorio Enlace covalente

O

CH3

H

Puente de hidrógeno

O H

H

Enlace covalente

H O H

O

CH3

Puente de hidrógeno

CH3

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La presencia de un enlace polarizado C-O en los alcoholes hace que la reactividad sea elevada para este grupo de compuestos. Por ello, los alcoholes son susceptibles de sufrir reacciones de sustitución y eliminación. Otra reacción importante de los alcoholes consiste en la oxidación como un método para obtener aldehídos y cetonas, otro grupo de compuestos oxigenados. El representante más importante y difundido de esta familia es el etanol. También se le conoce como alcohol etílico o alcohol de vino. Es un líquido incoloro, de olor agradable, menos denso que el agua y soluble en ella. Su temperatura de ebullición es de 78 °C y arde con llama azul pálido. El etanol se obtiene en una reacción del eteno con vapor de agua. La reacción ocurre a 300 °C y a una presión elevada y se necesita ácido fosfórico como catalizador.

CH2 = CH2 (g) + H2O (g)

catalizador 300 ºC

CH3CH2OH (g)

El eteno que no reacciona se recicla y es usado de nuevo. El etanol tiene múltiples aplicaciones; se usa para fabricar colas, pinturas, barnices, lacas, tintas, desodorantes, colonias, medicamentos, artículos de aseo y cosméticos. También es la base para la fabricación de gomas sintéticas y sabores artificiales.

El mundo de la química

Capítulo VIII: El carbono: Vida y energía El primer método que se utilizó para obtener etanol fue la fermentación de los carbohidratos. El alcohol se obtiene por la acción de levaduras sobre la glucosa (un carbohidrato). Este proceso sigue siendo actual ya que es el que se emplea en la fabricación del vino, por fermentación del mosto al prensar la uva. Igualmente se emplea para obtener cerveza a partir de la cebada y otras bebidas alcohólicas.

Apoyo didáctico

Diseño de un alcoholímetro químico Un alcoholímetro es un aparato diseñado para determinar la ingesta de alcohol en un individuo. Se basa en la reacción de oxidación de alcoholes mediante una solución ácida de dicromato de potasio. Durante la reacción se observarán cambios de color que van desde el marrón al verde, producto del cambio en los estados de oxidación del cromo. Con la ayuda de tu profesor diseña un alcoholímetro con los materiales que se mencionan a continuación: un tubo de vidrio en U, un tubo de vidrio recto, dos tubos de vidrio doblados en ángulo recto, una bolsa de plástico y pabilo. Además, etanol, dicromato de potasio y ácido sulfúrico.

Fascículo 25


Un alcohol simple y peligroso: El metanol El alcohol más simple es el metanol. Más del 90 % de metanol producido a nivel mundial se obtiene a partir del gas de síntesis CO2 y H2O, y gases licuados de petróleo. Se usa en la fabricación de resinas, plásticos, solventes, como aditivo para combustibles, anticorrosivos, preparación de ácido acético, limpiadores, anticongelantes y recientemente se emplea en la fabricación de pilas. Esto nos da una idea de la importancia de este alcohol. En octubre de 2003, la casa Toshiba anunció la creación de la batería portátil recargable más pequeña del mercado, fabricada a base de metanol. El metanol es muy tóxico y puede causar ceguera o muerte por envenenamiento.

194

Los recipientes que contienen metanol muestran una etiqueta que advierte claramente sobre el peligro del compuesto.

Siempre evitar el exceso El etanol es una sustancia que se absorbe rápidamente en el cuerpo humano debido a que es soluble en agua en cualquier proporción. A los pocos minutos de ser ingerida, pasa al torrente sanguíneo y llega a todas partes de nuestro cuerpo, inclusive al cerebro. Es una droga clasificada como antidepresiva, pues suprime sentimientos de miedo y tensión. El abuso en su consumo produce graves enfermedades como la cirrosis hepática y la degeneración del sistema nervioso central. El etanol se puede adquirir como “alcohol desnaturalizado” de menor costo, el cual consiste en una mezcla de etanol y metanol. El costo del metanol es menor que el del etanol puro, por eso, comerciantes inescrupulosos suelen utilizarlo ilegalmente en el embotellamiento de bebidas alcohólicas. En marzo del 2003, en el Reino Unido, se lanzó la alerta de contaminación de una bebida alcohólica por metanol, la cual fue retirada inmediatamente del mercado luego de detectarse severos casos de envenenamiento.

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Poli-alcoholes H2C – OH HC – OH H2C – OH

Es posible encontrar compuestos con varios grupos OH que se conocen como polioles o poli-alcoholes. Una de sus principales características es la viscosidad y la solubilidad en agua. Glicerina o el 1,2,3-propanotriol es una sustancia inocua, aceitosa y de amplio uso en la industria cosmética y médica como soporte o vehículo para la administración de ciertas sustancias o como aditivo en el jabón.

Un explosivo salvavidas Uno de los explosivos más conocido es la nitroglicerina, derivado de la glicerina. Es un líquido sensible a los choques, lo que lo hace difícil para ser transportado. En 1866 Alfred Nobel lo estabilizó y lo usó para fabricar dinamita. Este descubrimiento permitió el desarrollo de la construcción, de la explotación minera y de la guerra. Como sucede con muchos de los compuestos químicos, la nitroglicerina presenta aplicaciones en el área médica. Desde 1857 se ha usado en el tratamiento del dolor de pecho o angina, por su acción vasodilatadora. Aún en la actualidad se realizan estudios para elucidar su mecanismo de acción. La nitroglicerina se presenta en forma de parches y debe ser indicada en pacientes con enfermedades cardiovasculares por el médico tratante.

195

Un poco de historia Alfred Nobel (1833-1896), químico, ingeniero y filántropo sueco, realizó sus estudios en diferentes partes del mundo. Uno de sus aportes más importantes fue el de lograr un método más seguro para manipular la nitroglicerina, sustancia explosiva descubierta en 1846. Lo hizo mezclándola con tierra de diatomea o cerámica; el sólido que resultó sólo podía ser explotado por el uso de un detonador o mecha y es lo que conocemos como dinamita. Al final de su vida había amasado una gran fortuna, parte de la cual donó para que se creara una fundación que reconociera los avances de la humanidad en el terreno humanístico y científico. Los premios Nobel de física, literatura, medicina, química y de la paz se otorgan desde 1901, y el de economía desde 1969.

Premio Nobel de Química 2004 Una célula humana contiene aproximadamente cien mil proteínas diferentes que son las responsables de la forma de la célula y de su estructura. Estas moléculas biológicas tienen funciones importantes como enzimas, hormonas y en los diferentes sistemas del cuerpo humano, aunque no todas las proteínas tienen propiedades benéficas. Los ganadores del Nobel del año 2004 en química, Aaron Ciechanover, israelí, Avram Hershko, israelí, y el estadounidense Irwin Rose nos hicieron entender cómo la célula puede regular la presencia de una cierta proteína no deseada marcándola con un polipéptido degradador conocido como Ubiquitina. Las proteínas marcadas son degradadas en unos dispositivos de desechos llamados proteosomas. El conocimiento de esta forma de muerte controlada de las proteínas también contribuye a explicar las funciones inmunológicas. El funcionamiento irregular del sistema degradador de proteínas puede inducir al desarrollo de enfermedades incluyendo algunos tipos de cáncer. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo VIII: El carbono: Vida y energía • fascículo 25


Funciones aldehído y cetona Si en una molécula de hidrocarburos se cambian dos átomos de hidrógeno por uno de oxígeno, las estructuras resultantes se conocen como “aldehídos” si la sustitución tiene lugar sobre el carbono al final de la cadena, o como “cetonas” si el cambio es en uno de los carbonos internos. En ambos casos, el oxígeno se une al carbono con un enlace doble y por tanto ese carbono tiene hibridación sp2. La función aldehído tendrá como sustituyentes del grupo C = O un H y una cadena de átomos de carbono, mientras que una cetona tendrá dos cadenas. Esta función C = O se denomina “grupo carbonilo” y los aldehídos y cetonas se conocen como “compuestos carbonílicos”. Como se indicó antes, los aldehídos y cetonas se obtienen por oxidación de los alcoholes.

R C

O H 3C

196

H 3C C H2

CH

3 butanona

O C H2

H

H

Función aldehído

R

C

R

Función cetona

H3 C

C

C

O CH3

CH CHCH

O Butadiona

Cinamaldehído

Los aldehídos se nombran cambiando la terminación –ol del alcohol por –al (etanol etanal); para las cetonas la terminación es –ona. Para cadenas superiores a 5 átomos de carbono consecutivos debe marcarse con un número localizador la función carbonilo. (3-pentanol 3-pentanona) .

Reactivos por excelencia Al igual que los alcoholes, los compuestos carbonílicos presentan un enlace carbono-oxígeno polarizado, en el que los electrones del doble enlace están parcialmente polarizados sobre el elemento más electronegativo: el oxígeno. El carbono del grupo carbonilo que está parcialmente polarizado con carga positiva representa un centro de reacción para el ataque por especies nucleofílicas. Las reacciones de adición de nucleófilos son características de esta función carbonilo.

O

O

Muchos aldehídos y cetonas, especialmente aquellos de bajo peso molecular tienen olores característicos: el cinamaldehído es el responsable del olor de la canela y el anisaldehído el del anís. ¡Pero no todos tienen olores agradables! La butanodiona es uno de los compuestos responsables del mal olor en la sudoración de pies y axilas. La metilvinilcetona es un producto comercial utilizado en la fabricación de plásticos. butanal

O

CH3

H3 C

C=O

H3 C

H2

H 3C

C

H OH

Reacción de adición con formación de un nuevo enlace

Interesante El benzaldehído es un aldehído aromático que posee olor característico a almendras y, además de tener amplias aplicaciones en síntesis de orgánica, es uno de los componentes del famoso olor o “bouquet” del vino. En una degustación se encontró que uno de los vinos presentaba un inusual sabor a almendras amargas. Luego de ser analizado se determinó que tenía una concentración anormalmente alta de alcohol bencílico, lo cual se debía a que el grupo de vinos había sido almacenado en depósitos de resina epoxídicas cuyo eluyente es el ácido bencílico. El ácido que se mezclaba con el vino le daba ese sabor anormalmente amargo. http://www.catulle.com/images/degust_e.jpg

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Función carbonilo en la vida diaria Muchos compuestos que contienen la función carbonilo, pero que no son aldehídos y cetonas, intervienen en nuestra vida diariamente. Las telas sintéticas como el Dacrón® y el analgésico acetaminofeno son ejemplos importantes.

OCH2CH2O

O

O

C

C

OCH2CH2O

La fórmula del Dacron® se representa por una unidad estructural que se encierra dentro de los paréntesis y que se repite un número de veces n, formando una larga cadena unida por enlaces carbonooxígeno, de alto peso molecular, que se conoce como polímero. Aquí, la función carbonilo está unida a otro oxígeno por un enlace simple que se conoce como éster. El Dacron® representa una de las fibras sintéticas conocidas como poliéster, cuyo uso en la industria textil es importante, ya que las prendas fabricadas con él son resistentes, durables y no se arrugan. La resistencia de las fibras que contienen Dacron® permite extender su uso en la fabricación de cuerdas y piezas importantes en uniformes y velas para navegación.

H

H O

N O

Acetaminofén

La estructura del acetominofeno, un analgésico de amplio uso, contiene una función carbonilo que al estar unida a un 197 átomo de nitrógeno recibe el nombre de amida. Además, posee un grupo –OH unido directamente a un anillo aromático y esta nueva función se conoce como fenol. X

Enantiómeros: Las dos caras de una molécula Se ha mencionado que en las reacciones de adición el átomo de carbono de un grupo carbonilo cambia su hibridación sp2 a sp3. Si recordamos que un carbono sp2 y los tres sustituyentes unidos directamente a él están en un plano, es sencillo comprender que el ataque sobre ese carbono puede ocurrir por cualquiera de las dos caras del plano. Si consideramos ahora que el grupo C = O tiene dos sustituyentes diferentes y el reactivo atacante es también distinto de los sustituyentes existentes, entonces en la reacción se formarán dos compuestos diferentes que varían en la disposición espacial de los cuatro sustituyentes sobre el nuevo carbono sp3. Los compuestos que cumplen con esta característica se denominan “enantiómeros” y forman parte de un grupo de isómeros conocidos como “isómeros ópticos”.

Carbono quiral

H 3C

OH

CH3CH2

H3 C H2 C

C

O H–X

CH

3

CH2CH3 OH CH3

Carbono quiral

X

Reto espacial Los enantiómeros son entre sí como espejos uno de los otros y sus estructuras tridimensionales no son superponibles. Estos isómeros tienen las mismas propiedades químicas y físicas. a excepción de su comportamiento frente a la luz polarizada, razón por la cual se denominan isómeros ópticos.

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Moléculas medicinales que se miran en el espejo Una de las áreas más fascinantes de la química orgánica es el estudio de la estereoquímica. Pero… ¿qué es la estreoquímica? Es la parte de la química que se encarga de estudiar la estructura espacial de las moléculas y su influencia sobre las propiedades físicas y químicas de esas moléculas. Los químicos dedican un gran esfuerzo para tener el control estereoquímico de las reacciones. Más de la mitad de los medicamentos comerciales están representados por moléculas aseimétricas. En la síntesis de compuestos medicinales, el reto es obtener uno solo de los enantiómeros, aquél que sea responsable de la actividad farmacológica. Por ejemplo, el analgésico Ibuprofén se obtuvo al principio como una mezcla de enantiómeros. Uno de ellos ejercía su efecto en 12 minutos mientras que el otro lo hacía en 30 minutos. Recientemente se han desarrollado métodos enzimáticos de síntesis para fármacos. Por su alta especificidad ha sido posible obtener el Ibuprofén y otros analgésicos ópticamente puros, es decir, que sólo están constituidos por uno de los enantiómeros.

Test de calidad al Ibuprofén en la planta farmacéutica BASF.

CH3

198

(CH3)CH

CHCOOH

La naturaleza sin imagen y sin semejanza

COOH

H

C

R

NH2

El laboratorio más eficiente y mejor equipado que existe es la naturaleza. Ella es responsable de que la vida en la tierra sea “homoquiral” y que sea posible obtener sólo un enantiómero de proteínas y ácidos nucleicos. La razón de la pureza enantiomérica de muchos productos naturales no ha podido ser determinada. Pero se sabe que las responsables de esta gran especificidad son las enzimas.

COOH

R

H

NH2

En la figura se visualiza la similitud del concepto de quiralidad para una molécuIa orgánica de un ácido tal como sucede con las manos derecha e izquierda.

Se desconoce por qué todos los aminoácidos esenciales, aquéllos que forman las proteínas, son levógiros (las moléculas desvían el plano de la luz polarizada en sentido contrario a las agujas del reloj) y por qué todos los carbohidratos fundamentales son dextrógiros (las moléculas desvían el plano de la luz polarizada en el sentido de las agujas del reloj). La propiedad de desviar el plano de la luz polarizada es típica de moléculas cuyas estructura es “quiral”: ¿qué significa “quiral”? Nuestras manos son quirales, es decir la mano izquierda es imagen especular de la mano derecha. La quirálida, que viene del griego chiros = manos, puede originarse por diferentes razones estructurales, una de ellas es la existencia de un carbono sp3 con cuatro sustituyentes diferentes, como en el caso de los aminoácidos, y por ello ese carbono es llamado “quiral” o “asimétrico”.

En el caso de que la naturaleza produzca ambos enantiómeros se encarga de producir uno en mayor proporción que el otro y de diferenciarlos muy bien. Así ocurre con el limoneno que tiene olor a limón o naranja dependiendo del isómero que se considere. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo VIII: El carbono: Vida y energía • fascículo 25


Fotosíntesis: ¡Larga vida sobre la tierra! La fotosíntesis constituye uno de los procesos más importantes de la naturaleza ya que permite asegurar la vida sobre la tierra. Explica cómo las plantas, en presencia de luz solar, absorben dióxido de carbono, liberan oxígeno a la atmósfera y forman compuestos de carbono conocidos como carbohidratos. 6CO2 + 6H2O

C6H12O6 + 6O2 glucosa

Los carbohidratos constituyen una forma de energía que almacenan las plantas para su subsistencia. Cuando son consumidos por otros seres vivos, como el hombre, se rompen los enlaces carbono-carbono y se libera energía esencial para la vida.

¿Qué representan los carbohidratos? Son compuestos que constituyen un 50 % de la biomasa de la tierra. Las funciones de los carbohidratos son variadas y van desde ser fuentes de energía para y en los seres vivos, hasta ser componentes estructurales de las células.

199

Carbohidratos: La función carbonilo con un compromiso energético Los carbohidratos son moléculas que tienen dos tipos de funciones orgánicas en su estructura: la función carbonilo y la función alcohol. De manera general, se les conoce como azúcares, cuyas estructuras pueden ser cadenas polihidroxicetonas y/o polihidroxialdehídos. A estos compuestos también se les conoce como hidratos de carbono ya que pueden ser representados por la fórmula general Cn (H2O)n.

H

OH

D-Glucosa

C

CHO

HCOH HOCH

Caña de azúcar Diego Rivera (pintor mexicano, 1886-1957)

HCOH O

HOCH

HCOH

HCOH

HC

HCOH

CH2OH

(A)

CH2OH

(B)

La glucosa es un carbohidrato simple y es el azúcar más abundante en la naturaleza. Puede existir como una cadena abierta (B) o cerrada (A) y tiene varias funciones alcohol y una función aldehído. La notación D es para uno de sus isómeros ópticos que es el que se encuentra en la naturaleza. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo VIII: El carbono: Vida y energía • fascículo 25


La química es importante en nuestra dieta Los carbohidratos pueden ser simples, constituidos por una sola molécula (monosacáridos como por ejemplo la glucosa), y complejos si en su estructura molecular intervienen dos o más moléculas de monosacáridos iguales o diferentes. La presencia de monosacáridos simples o complejos depende de la naturaleza del alimento u otro material en donde estén presentes. Entre los complejos tenemos “disacáridos” constituidos por la unión de dos monosacáridos, por ejemplo, el azúcar común (sacarosa, que está formada por una molécula de glucosa y una de fructosa); oligosacáridos, cuando contienen hasta 6 unidades de monosacáridos, y polisacáridos con un número indeterminado. Tal es el caso del almidón constituido solamente por moléculas de glucosa. maltosa es un ejemplo de disacárido, diferente a la sacarosa, y se encuentra en algunas verduras y en la cerveza. El azúcar de los postres no suministra vitaminas, minerales o fibra sino sólo calorías a las que se les suele llamar "calorías vacías" pues son las responsables de la obesidad. Igualmente, muchos alimentos refinados, como la harina blanca y el arroz elaborado, carecen de nutrientes y es por ello que se les enriquece con vitaminas y minerales.

200

La D- fructosa es el carbohidrato simple que consumimos cuando comemos frutas. Su estructura contiene además de varias funciones alcohol, una función cetona, a diferencia de la glucosa. Se emplea para la elaboración de productos diéteticos ya que endulza mucho usando menos cantidad y no causa grandes elevaciones de azúcar en la sangre. Hay que consumirla con cuidado ya que es cariogénica, es decir, produce caries si no se tiene una higiene bucal adecuada.

CH2OH C

O

HO

C

H

H

C

OH

H

C

OH

CH2OH

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Los medidores de glucosa en la sangre Se han desarrollado varios métodos para la realización del autoexamen de glucosa en la sangre. Uno de ellos usa bandas con un reactivo químico que al entrar en contacto con una gota de sangre cambia de color. Se dispone de una escala de colores que, por comparación, permite determinar los niveles de azúcar presentes. Otro método, más moderno, de análisis, emplea un glucómetro, aparato electrónico con una pantalla. Usa igualmente una banda reactiva que se inserta en el dispositivo electrónico: cuando la sangre entra en contacto con la tira, envía una señal al aparato que al cabo de 5 segundos muestra en la pantalla la cantidad de glucosa. Estos dispositivos tienen grandes niveles de confiabilidad en sus valores, eso sí, siempre que se sigan las indicaciones del fabricante.

El mundo de la química

Capítulo VIII: El carbono: Vida y energía Sacarosa: La dulzura se sostiene sobre un aldehído y una cetona

CH2OH

HO

Los carbohidratos se clasifican, de acuerdo con su grupo funcional, en aldosas si tienen un aldehído y en cetosas si tienen una cetona. Se nombran, según el número de carbonos, como hexosas si tienen seis, pentosas si tienen cinco, tetrosas si tienen cuatro y triosas si tienen tres carbonos. Los carbohidratos se presentan como moléculas algo complejas, las cuales pueden ser transformadas en unidades menores que siguen representando un carbohidrato. Un ejemplo de esto son los disacáridos, moléculas que pueden ser transformadas en dos, conocidas como monosacáridos. Es el caso de la sacarosa que puede ser transformada en frutosa (cetosa) y en glucosa (aldosa). Este carbohidratos es uno de los más consumidos por el hombre como parte de su dieta alimenticia y es conocido como el famoso azúcar de mesa. La sacarosa se obtiene de la caña de azúcar en países latinoamericanos, y de la remolacha en Europa. En Venezuela, los estados productores de caña son: Aragua, Lara, Táchira y Zulia. A nivel mundial el mayor productor es Brasil y nosotros ocupamos la octava posición en Latinoamérica.

O

O H

OH

H

H

OH

H

HOH2C

H

H

O

H

OH

HO

CH2OH

H

Fascículo 26


Ácidos carboxílicos El ácido fórmico o metanoico es segregado por las hormigas, y las ortigas.

El ácido acético o etanoico se obtiene por destilación de la madera o por la fermentación de sustancias alcohólicas.

O HO

O

C

HO

C

H

CH3

El ácido E-3 metil-2-hexenoico es uno de los compuestos responsables del olor del sudor.

El ácido cítrico o 2hidroxipropano1,2,3-tricarboxílico, se encuentra en limones, naranjas y otras frutas llamadas cítricas, además se obtiene de la fermentación de la glucosa.

H2 C H 3C

CH3

O

C

C

C H2

C

OH

H

CH3 O

C

Puente de hidrógeno

O

202

∂+

O Ácido etanoico (acético)

Propiedades Como es de esperarse, el grupo carboxilo contiene enlaces polares debido a la presencia del grupo carbonilo y el grupo hidroxilo. Adicionalmente, pueden formar puentes de hidrógeno intramoleculares e intermoleculares (ver alcoholes). Debido a estas interacciones intermoleculares, las temperaturas de ebullición y fusión son más elevadas que las correspondientes a los compuestos de otras funciones orgánicas. Su acidez los ubica en valores de pH menores de 7 y son pocos solubles en agua a partir de compuestos de más de 6 átomos de carbono.

∂-

H

En los compuestos orgánicos también encontramos ácidos: son los llamados carboxílicos. Forman sales, al igual que los ácidos minerales, cuando reaccionan con hidróxido de sodio, lo cual explica su solubilidad en agua. La mayoría de ellos se encuentran en la naturaleza y se pueden obtener de los aceites vegetales. Algunos de los ácidos los conocemos por su nombre común: fórmico, acético, cítrico...

O

C H

H COOH

¿Cómo los llamamos? En el sistema IUPAC los nombres de los ácidos carboxílicos se forman reemplazando la terminación “o” de los alcanos por “oico”, y anteponiendo la palabra ácido.

Ácido benzoico

Cl

COOH

NH2

Ácido p-amino-benzoico

O

OH

Ácido α-cloropropiónico

Complejo vitamínico B con 100 mg de ácido p-amino-benzoico

Estructura

Nombre IUPAC

Nombre común

Fuente natural

HCOOH

Ácido metanoico

Ácido fórmico

Procede de la destilación destructiva de hormigas (formica es hormiga en latín)

CH3COOH

Ácido estanoico

Ácido acético

Vinagre (acetum es vinagre en latín)

CH3CH2COOH

Ácido propanoico

Ácido propiónico

Producción de lácteos (pion es grasa en griego)

CH3CH2CH2COOH

Ácido butanoico

Ácido butírico

Mantequilla (butyrum, mantequilla en latín)

CH3(CH2)3COOH

Ácido pentanoico

Ácido valérico

Raíz de valeriana

CH3(CH2)4COOH

Ácido hexanoico

Ácido caproico

Olor de cabra (capra, cabra en latín)

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ños n da u a s at Cau as. í s i c o y l l a s . g o s dr a t u f o b r e e s use NO e r s i b l e m a t e s ¿Sabías que...? r v ó irre e. Inf u q i El “Fuego de San Antonio” fue el nombre de una ps peste que se desarrolló en la Edad Media, la cual se manifestaba con alucinaciones y era causada por los alcaloides presentes en el pan preparado con harina de centeno infectada con un hongo en forma de cuerno llamado, por ello, cornezuelo.

A principios del siglo XX la estructura de uno de los alcaloides responsables de las alucinaciones, el ácido lisérgico, fue determinada por los químicos Jacobs, Graig y Stoll, y fue confirmada, posteriormente, por Woodward, quien la sintetizó en 1954. Un hecho accidental dio a luz a una de las drogas psicodélicas más usadas en los años 60, el LSD (diamida del ácido lisérgico). Esta droga, ilegal, altera la personalidad, produce alucinaciones y depresiones. N

O

Estructura del ácido lisérgico N H

203 Lysergic Acid Diethylamide -LSD-, Tony Kremp, artista norteamericano.

NH

El medicamento más famoso del siglo XX: La aspirina La Aspirina®, nombre comercial del ácido acetilsalicílico, es considerada entre los 5 inventos más importantes del siglo pasado, junto con el automóvil, el bombillo, la televisión y el teléfono, debido a que facilitó la vida del hombre durante el siglo XX. Antes de su descubrimiento, la fiebre y el dolor se trataban con una infusión de la corteza del sauce blanco, cuyo principio activo era la “salicina”. La estructura de este compuesto es análoga a la de la aspirina que fue sintetizada por primera vez en 1897 por el químico alemán Felix Hoffman. En sus inicios, el ácido salicílico se usó como analgésico y antipirético, pero a lo largo de los años su prescripción para el tratamiento de otras enfermedades se diversificó, como en el caso de las patologías cardio y cerebrovasculares. No siempre los tratamientos con este medicamento han sido beneficiosos: se han reportado efectos colaterales con el uso de la aspirina, tales como alteraciones gástricas, hepáticas, renales y alérgicas. Igualmente se ha determinado que su ingestión es fatal en caso de dengue.

O

O O

OH

El ácido acetilsalicílico es el medicamento que más se autoprescribe, pero es importante destacar que, así como con todos los medicamentos, no debe ser administrado o ingerido sin prescripción médica

Botella de aspirina, 1900

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Compuestos nitrogenados H H

N

H H

H

Amoníaco

N

R1 R

H

Amina primaria

N

R1 R

Amina secundaria

N

R2

R

Amina terciaria

R= cadena de carbonos

Existe una gran variedad de compuestos orgánicos que en su composición tienen nitrógeno; nos concentraremos sólo en uno de ellos: las aminas, de gran importancia porque forman parte de los compuestos con actividad inmuno y neurológica. Las aminas son derivados del amoníaco NH3 si consideramos que los hidrógenos unidos al nitrógeno son sustituidos por unidades de carbono dispuestas en cadenas abiertas o cerradas.

NH2 N NH

Ciclohexilamina es una amina primaria que se usa en el tratamiento de aguas.

Piperidina es una amina secundaria que se usa como base de repelentes.

Trimetilamina es una amina terciaria producto de la descomposición del pescado y responsable de su olor.

204

Propiedades Las aminas son los compuestos básicos o nucleófilos y las alifáticas son más fuertes que el amoníaco, tienen pKb del orden de 3. Las aminas son polares ya que se suman los momentos dipolares de los enlaces C-N y H-N. Además, las aminas primarias y secundarias tienen enlaces N-H que les permite formar puentes de hidrógeno entre ellas y con el agua, pero más débiles que el de los alcoholes y por lo tanto con temperaturas de ebullición menores que las de análogos compuestos oxigenados. Las aminas terciarias sólo pueden formar puentes de hidrógeno con moléculas que tengan enlaces O-H o N-H, por lo que su temperatura de ebullición es menor que la de las primarias y secundarias de masas molares similares. Otra propiedad característica de las aminas es su olor desagradable, como en el caso de la cadaverina, amina presente en la carne descompuesta y que es responsable del olor putrefacto.

Molécula de cadaverina

H2N(CH2)5NH2 Cadaverina

NH N,N-dietilamina Crema para calmar dolores reumáticos con 10 % de contenido de salicilato de dietilamina.

¿Cómo los llamamos? Se nombran como el derivado del hidrocarburo de origen y la terminación amino. Cuando se sustituyen dos hidrógenos por otro grupo orgánico se antepone el prefijo N,N.

La adrenalina, una amina secundaria, es una hormona secretada en la médula de la glándula adrenal y liberada en el torrente sanguíneo cuando el organismo es sometido a una condición de estrés. HO NH HO OH

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¿Sabías que...? Dispositivos que se usan como trampas químicas son el amoníaco, la putrescina y la trietilamina, aminas de olores desagradables utilizadas para el control de la mosca de la fruta. Este insecto causa pérdidas económicas del orden de 1,5 millones de US$ al año y es por ello que se ha implementado este dispositivo. La aminas atraen las moscas a las trampas donde se detienen y son inducidas a alimentarse en el panel que contiene el tóxico. La forma cilíndrica de la trampa provee el estimulante visual por tener la forma de una fruta. Los paneles claros que están encima y debajo del cilindro utilizan el deseo instintivo de la mosca de ser atraída hacia la luz, donde el veneno dulce le espera.

H2N(CH2)4NH2 Putrescina

205

Un poco de historia En 1856, William Perkin, un estudiante británico de tan sólo 18 años de edad, descubrió la moveína, el primer colorante sintético. Su profesor, August Wilhelm von Hofmann, le habló sobre la necesidad de la síntesis de una quinina para el tratamiento de la malaria y, estimulado por la idea, este emprendedor joven intentó obtenerla a partir de la oxidación de la anilina con dicromato de potasio. Como ha ocurrido con muchos otros descubrimientos científicos, de manera casual obtuvo un colorante en lugar del antimalárico que esperaba. Este descubrimiento es aun más curioso ya que la anilina que usó Perkin estaba contaminada por toluidina, que es en realidad la precursora de la malva. Con la ayuda de su padre y de su hermano, estableció una pequeña fábrica para la manufactura de este compuesto, denominado al comienzo como púrpura de anilina. La experiencia de Perkin impulsó el estudio posterior de una variedad de derivados de la anilina con propiedades colorantes que resultaron en numerosas patentes y en el desarrollo de la próspera industria de la manufactura de tintes. La cumarina, empleada en perfumería, fue igualmente sintetizada por Perkin así como el ácido cinámico. La anilina es un líquido muy tóxico y es la amina más usada en la síntesis orgánica; es también la materia prima en la industria del caucho, en colorantes, en productos para fotografías, explosivos y fungicidas.

CH3

H 3C H

N

Cl

NH2

NH2

Anilina

CH3

Malva

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Proteínas: El soporte del cuerpo Las proteínas son las segundas biomoléculas importantes, ya que forman parte de las membranas biológicas de las células y, además, tienen funciones específicas fundamentales para la vida. Las proteínas son sintetizadas por nuestro cuerpo y son las responsables del crecimiento de nuevos tejidos y de la preservación de los ya existentes. Los elementos que componen estas moléculas biológicas son: carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, los que a su vez conforman las unidades estructurales o “bloques de construcción” de las proteínas llamados aminoácidos. Éstos tienen en su estructura un grupo amino y uno de ácido carboxílico unido a un mismo carbono.

H

H

H

H

C

H

206

C

C H

H H

H

H H

El aminoácido alanina muestra los dos grupos, amino y ácido, unidos al mismo carbono. Este compuesto representa uno de los veinte aminoácidos que se encuentran en abundancia en la naturaleza y que nuestro cuerpo es capaz de sintetizar para su propio beneficio.

Glu Val

Ala Cadena B

Arg Glu Gly Gly

La insulina es una proteína (hormona) responsable del procesamiento del azúcar en la sangre y se produce en el páncreas. Aquellas personas que tienen niveles altos de azúcar en la sangre sufren de diabetes. Esta enfermedad se desarrolla por la ausencia o poca producción de insulina por parte del páncreas. Dentro de las clasificaciones de esta enfermedad, la tipo 1 es la que requiere el suministro de la de insulina inyectable, ya que por vía oral la proteína se destruye en el sistema digestivo. La diabetes es la séptima causa de muerte en nuestro país.

C

N La lisina es un aminoácido natural que se encuentra en los alimentos y debe ser ingerido como nutriente ya que nuestro cuerpo no lo puede sintetizar.

Existen 20 aminoácidos importantes encontrados en la naturaleza y que forman parte de la estructura de las proteínas. La unión de dos o más unidades de aminoácidos resulta en la formación de estructuras denominadas péptidos. Las uniones ocurren a través de enlaces carbono-nitrógeno que se conocen como enlaces peptídicos: son las amidas. La largas cadenas que se pueden formar se llaman polipéptidas si el número de unidades o residuos es menor de 100 aminoácidos, y si es mayor se les llama proteínas.

Una proteína a la que le gusta el dulce

O

H

C

C N

O

H H

H 3N

Phe Val

Asn Gln

Leu Leu His

Cys Val Leu Tyr

His Ser Gly Cys Leu

Phe

H 3N

Phe

OOC Asn Cys

Gly Ile Val Glu Gin Cys Cys

Tyr

Tir

Thr

Asn

Thr

Glu

Pro

Cadena A

Ser

Leu Gln Tyr Leu Ser Cys Ile

Lys Thr

COO

La estructura de la insulina contiene dos cadenas de aminoácidos unidas por enlaces de azufre. En el diagrama, cada círculo representa un aminoácido, el cual se identifica por las tres primeras letras de su nombre. Molécula de insulina.

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Una llave para cada cerradura: Enzimas Las enzimas son los catalizadores biológicos para todas las reacciones que se llevan a cabo en nuestro cuerpo. Para cada reacción hay una enzima, lo que indica su alta específidad. Las enzimas son moléculas esencialmente proteicas dispuestas estructural y espacialmente de modo que sólo pueden acercarse a otra molécula de una sola manera para interactuar y cumplir una función; se trata de un proceso análogo a un sistema de llave y cerradura. Como los catalizadores químicos, la enzima participa en la reacción para que ocurra el cambio químico y cuando éste finaliza se separa de la molécula. La catalasa es una de las enzimas más conocida. Es la responsable de acelerar la reacción de descomposición del peróxido de hidrógeno, tóxico, que se forma como parte de algunos procesos celulares. Se encuentra en la sangre y en el hígado.

Zona activa

Productos

Enzima

Complejo enzima-sustrato

Sustrato

Complejo enzima-producto

Enzima

207

La figura muestra la formación de un péptido por la unión de dos moléculas de dos aminoácidos: valina y alanina. Valina

Alanina

H

NH3

+

COOH

C

H 3N

C

COOH

CH3

CH H 3C

+

H

CH3

H 2O

H 2O Valilalanina

NH3 H 3C

+

H

O

C

C

CH CH3

H N H

Enlace peptídico

C

COOH

CH3 Grupo carboxilo libre

Grupo amino libre

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CapĂ­tulo IX:


En el contenido de los fascículos que ya has visto, habrás podido confirmar que la química es parte de nuestra vida y que está presente en todos los aspectos fundamentales de nuestra cotidianidad. La calidad de vida que podemos alcanzar se la debemos a los alcances y descubrimientos que el estudio de la química aplicada nos ha dado. La variedad y calidad de productos de aseo personal, de alimentos enlatados, los circuitos de la computadora, la pantalla de la televisión, los colores de la casa, el frío de la nevera y la belleza de un rostro existen y mejoran gracias al estudio de la química. En este capítulo te daremos más referencias sobre todos los aspectos de tu vida donde la química te sale al paso. Nuestra intención es que redescubras el mundo que te rodea, pero desde un punto de vista químico.

El mundo de la química

La química de todos los días Colorantes que nos rodean… El color es una de las características más frecuentes de los objetos y como tal nos permite diferenciarlos entre sí. Lo primero que mencionamos cuando se nos pide una descripción es el color. Esta propiedad de los materiales ha sido parte de la historia del ser humano y es por ello que la encontramos en el arte, en las vestimentas, en las paredes de las viviendas... Incluso se habla de que es posible curar a través del color, mediante la cromoterapia. La cromoterapia es una técnica que utiliza luz blanca o de colores para generar bienestar en las personas que la reciben. La foto presenta diversos cristales de colores naturales que se usan en esta terapia. Uno de los cristales de la figura es el cuarzo, un óxido de silicio que fue uno de los primeros minerales utilizados por el hombre prehistórico. El óxido de silicio se presenta bajo una gran variedad de colores y formas cristalinas. Los cristales transparentes más conocidos como el cristal de roca, el citrino (amarillo), la amatista (morado) y la turmalina (verde) son piedras semipreciosas ampliamente usadas en joyería. La variedad de sus colores depende de la forma cristalina la cua,l actuando como prisma, origina diferentes tonos que reflejan la luz de manera distinta.

Fascículo 27


Pero, ¿qué es el color? El color es la propiedad que tienen los objetos de absorber y reflejar la luz visible. La radiación que constituye la luz visible puede incidir totalmente sobre un objeto y, a la vez, reflejarse parcialmente. Al ser reflejada, la radiación es captada por el ojo humano. La radiación, en una escala de energía cuantificada mediante valores de longitud de onda, puede ser discriminada por el ojo humano asignando a cada valor de longitud de onda un color (ver fascículo Nº 20, mecanismo de la visión). Los valores de longitud de onda perceptibles por el ojo humano están en la región del espectro electromagnético denominada visible y corresponden a aquellos que están entre los 400 y 700 nm. En 1672, Sir Isaac Newton descubrió que se podía separar la luz en diferentes colores mediante un prisma y notó que los tonos se organizaban de manera precisa formando el denominado espectro.

210

Los colores primarios son amarillo, azul y rojo y de sus combinaciones se obtienen el anaranjado, el violeta y el verde. La percepción del negro se traduce como la ausencia de color.

¿De qué color se ven las cosas? Si una sustancia absorbe una parte de la radiación del espectro visible, ésta se “verá” del color cuya radiación no es absorbida. Un objeto que absorbe la luz roja reflejará el resto del espectro visible y aparecerá como azul-verde. Los compuestos orgánicos y los inorgánicos coloreados representan la química del color. La primera fuente orgánica de color que usó el ser humano provino de plantas e insectos, y la inorgánica de óxidos de metales como el hierro y el zinc. Estos colorantes o tintes naturales se han usado y se usan en productos tan variados como papel, alimentos, ceras, plásticos y textiles. La práctica del teñido de telas desde hace millones de años ha sido una de las aplicaciones más importantes de los colorantes naturales. Las muestras más antiguas de tejidos coloreados datan de aproximadamente 1500 a.C.; sin embargo, hay evidencias de la aplicación de colorantes a telas desde mucho antes entre los pueblos egipcios, babilonios, hebreos, hindúes y chinos. Los colorantes naturales orgánicos tienen en sus estructuras múltiples dobles enlaces conjugados y algunos se caracterizan por la presencia de heteroátomos como el nitrógeno y el oxígeno.

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Presencia de nitrógeno, factor importante en los colorantes orgánicos Hay una gran variedad de estructuras químicas asociadas con colorantes sintéticos y naturales pero, todas tienen en común estructuras altamente conjugadas y muy frecuentemente anillos aromáticos. Hay varias clasificaciones para los colorantes; la que es internacionalmente aceptada es aquélla que los agrupa de acuerdo con su estructura química y está codificada en el “Color Index” según una numeración que identifica al “cromóforo”: porción de la molécula responsable del color principal. Dentro de la clasificación de los colorantes orgánicos nos encontramos con los denominados azoicos, que deben su nombre a la presencia del grupo funcional (–N=N–) azo, entre dos anillos aromáticos.

La mayoría de los colorantes sintéticos y alimentarios aceptados por la FDA son azoicos; entre ellos se encuentra el amarillo Nº 6.

N =N

211

NaO3S Amarillo Nº 6

La cochinilla El índigo es un colorante que se aíslaba de un árbol y actualmente es un producto sintético que se ha transformado en el color típico de los “jeans”.

O NH

HN

En la industria cosmética los productos naturales son preferidos por los consumidores como alternativa de los productos industriales.

O Estructura del índigo

O

La cochinilla (Caccus cacti) es un insecto que parasita las hojas del nopal o tunera. Tiene forma de grano rojizonegro cubierto por un polvo blanco. Suele ser utilizada para conseguir tinte rojo. Con ese objeto es agrupadas en pencas en trapos que se sujetan a las hojas de las tuneras; cuando el grupo ha alcanzado su desarrollo (unos 8 milímetros), se recoge con un cepillo y se pone al Sol o se seca en hornos. El producto final, el insecto molido, se usa para teñir de rojo. La aparición de los tintes sintéticos hizo que su cultivo disminuyera bruscamente.

OH

HOOC

C6H12O6

OH

HO O

Estructura del ácido carmínico, componente principal de la cochinilla

OH

Uno de los colorantes naturales más antiguos es la cochinilla, que proviene de un insecto del mismo nombre.

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Clasificación de los colorantes Ante la necesidad de obtener una mayor variedad de colores a la que provee la naturaleza, los químicos han acudido a procedimientos sintéticos. Tal es el caso del muréxido resultante de la reacción de los ácidos úrico y nítrico. Su nombre se derivó de su tonalidad, similar al púrpura extraído del molusco llamado Murex. Como el ácido úrico proviene de la orina de los animales, se ha limitado la producción del colorante. Es por ello que se considera la moveína, obtenida por Perkin, como el primer colorante sintético (ver fascículo Nº 21).

Estructura de la moveína

O - NH4+

O N

HN

212

O

NH N H

O O

Clasificación tintórea Clase Características

N H

O

Actualmente se encuentran en el mercado unos 80 000 colorantes que difieren en su composición, propiedades químicas y físicas. La clasificación de esta gran diversidad de compuestos se basa en la estructura o composición química del colorante. Esta clasificación agrupa a los compuestos según la naturaleza del cromóforo de la molécula (grupo de la molécula responsable del color observado). Además, existe otra clasificación de los colorantes que toma en cuenta el uso y los materiales a los que están destinados. Este criterio se aplica para lo que se conoce como clasificación tintórea. La tabla siguiente muestra los principales tipos de colorantes según su aplicación y algunas de sus características más importantes. Tejidos sobre los que puede ser aplicados

Ácidos

Compuestos solubles en agua que forman especies aniónicas. En su mayoría contienen grupos ácido sulfónico (-SO3H) o carboxílico (-COOH).

Lana y seda

Básicos

Compuestos solubles en agua que forman especies catiónicas que contienen grupos aminos (-NH3).

Acrílicos, nylon, y poliésteres modificados por grupos ácidos

Directos

Compuestos solubles en agua. Se aplican en baños neutros en presencia de electrolitos adicionales. Se unen a la tela por interacciones de diferente tipo.

Algodón, lino, rayón

Dispersos

Compuestos no iónicos insolubles en agua. Para teñir se aplican finamente dispersos en agua sobre fibras hidrofóbicas en las que quedan atrapados.

Nylon, poliéster, acrílicos

Reactivos

Reaccionan con la fibra formando enlaces covalentes. Poseen en su estructura grupos derivados de la triclorotriazina.

Algodón, lana o nylon

Colorantes de tina

Compuestos que en su forma oxidada son insolubles en agua y que al ser reducidos dan origen a una especie soluble que es utilizada para teñir. Luego de fijados, los colorantes en la tela son reoxidados para dar nuevamente la forma insoluble, muy resistente al lavado.

Algodón, rayón, lana

Mordientes

Compuestos que forman complejos con metales. La tela es tratada con una solución básica de un metal o “mordiente” que se precipita sobre la tela como un hidróxido metálico. Posteriormente se aplica el colorante que se une firmemente al metal.

Lana

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Fijando el color en la fibra Los colorantes son retenidos sobre las telas mediante diversos tipos de interacciones intermoleculares, tales como interacciones electrostáticas, fuerzas ión-dipolo y enlaces covalentes que son los más estables. Estas interacciones dependen de los grupos funcionales presentes en la molécula del colorante, así como de los que se encuentren en la fibra y determinan la afinidad del colorante con el tejido, su aplicabilidad y la resistencia a ser removido durante el lavado.

COOH

COOH

CH2

CH2

CH2

CH2

H 3C

Pigmento: El color que no se disuelve Una de las propiedades de los elementos conocidos como de transición es que forman una gran gama de compuestos coloreados. Anteriormente, a las sustancias inorgánicas insolubles en agua se les llamaba pigmentos. En la actualidad se define como pigmento a las sustancias insolubles, las cuales comprenden una gran variedad de estructuras orgánicas policondensadas (aparte de pigmentos inorgánicos), que requieren de aglutinantes para fijarse. Se preparan por precipitación de un colorante sobre un sustrato reactivo, por ejemplo, sales de aluminio. Los pigmentos no son afectados física o químicamente por el medio al cual se incorporan. La diferencia fundamental entre colorantes y pigmentos es su solubilidad.

CH3

+N

N Fe

H 3C

H C

N+

N CH3

S CH3

HC

S

CH3 Proteína

¿Sabías que el grupo hemo es parte de un pigmento natural responsable del color rojo de la sangre?

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El grupo hemo es parte de una molécula gigante con un esqueleto tipo porfirina, que es componente de la hemoglobina y donde se une a una molécula de oxígeno. La diferencia de color entre la sangre arterial y la venosa es debida a que absorben luz de longitud de onda diferente.

La siguiente tabla contiene algunos de los pigmentos inorgánicos más conocidos, el o los compuestos químicos que lo originan y sus usos. Pigmento Azul de Egipto

Compuestos Silicato de cobre y calcio

Usos Lo usaron los egipcios en sus monumentos

Verde de cromo

Cr2O3

Usado en esmaltes

Óxido de hierro rojo

Fe2O3

En la industria de la construcción

PbCrO4

Líneas de señalización en las carreteras

Amarillo de plomo

Blanco de titanio

TiO2

Pinturas de exteriores

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Colorantes de alimentos Seguramente has escuchado la frase que dice que la comida entra por los ojos. En realidad es el color el que induce a relacionar el alimento con su calidad y de esa manera a conectarlo directamente con el sabor. Con el advenimiento de los métodos de conservación de alimentos, los colorantes naturales fueron sensibles a los procesos de esterilización alterando sus estructuras y con ello sus colores. Por esa razón fue necesario sustituirlos por otros colorantes más estables: los colorantes sintéticos. En todo caso, siempre se recomienda el uso de colorantes naturales sobre los sintéticos porque se considera que los efectos negativos sobre el ser humano son menores.

Colorantes naturales Flores de azafrán

Caramelo El caramelo se produce de forma natural al calentar productos ricos en azúcares. Lo encontramos en muchas bebidas de cola, ron, coñac. Tiene, además, usos en repostería, en la fabricación de caramelos, de cerveza, helados, postres, sopas preparadas. Es el colorante más utilizado en alimentación: representa más del 90 % del total de todos los empleados.

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Curcumina Es el colorante de la rizoma de la cúrcuma cultivada en India. Se usa como colorante y aromatizante. La curcumina es un componente fundamental del curry, especie a la que le confiere el color amarillo. La encontrarás como colorante de mostazas y en los derivados lácteos. Secado de la cúrcuma en India.

La tartrazina o amarillo Nº 5 la encontrarás en las bebidas refrescantes; es la que confiere el color "limón". Sustituyó al azafrán como condimento para paellas y está presente en la mayoría de las golosinas. Existe una alerta ya que estudios clínicos han indicado que la tartrazina produce alergias, somnolencia y modificaciones en la conducta.

Colorantes alimentarios sintéticos Frecuentemente se oye decir que todo lo de origen químico o sintético causa cáncer y/o es tóxico: esta afirmación es errónea. En cualquier caso, las cantidades de los compuestos y el tiempo de exposición a ellos son los responsables del efecto. Dentro de los aditivos alimentarios sintéticos, los colorantes son los que han generado mayores controversias sobre su toxicidad en el ser humano. En la mayoría de los países ha sido limitado su uso, mientras que en otros la ley los ha restringido. Las autoridades sanitarias son muy celosas con la permisología para los colorantes y suelen prestar atención a las concentraciones máximas a emplear en cada caso. Lo que no pueden controlar las autoridades es la frecuencia con la que se consume el alimento pues ello está en manos del buen criterio del consumidor. Cada país tiene sus propias regulaciones, pero en general toman como patrón a las emitidas por la FDA (EE.UU.) o por la ECC de la Unión Europea.

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Colorantes de alimentos En otros alimentos podrás leer también el nombre de nuevos colorantes: Colorante

Usos

Negro brillante BN

Se encuentra en el caviar.

Amarillo Nº 6

Es el color naranja de refrescos, bebidas alcohólicas, conservas vegetales y helados.

Eritrosina

Es el colorante en los postres lácteos con aroma de fresa.

Azul patentado

Colorea de verde a los alimentos al combinarlo con colorantes amarillos. Lo vemos en las guindas verdes, mermeladas, caramelos y bebidas.

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Interesante Muchas veces cuando vemos un monumento histórico nos preguntamos por la fecha en que fue construido y, si está bien conservado, qué ha hecho posible que haya sobrevivido a los embates del tiempo y a la contaminación de la vida moderna. Muchas son las instituciones que se preocupan por la preservación de los patrimonios culturales de las naciones. En nuestro país esa responsabilidad recae sobre el Instituto de Patrimonio Cultural (IPC). Los restauradores utilizan pegamentos, siliconas y pigmentos para reparar y proteger edificaciones y obras de arte. Seguramente escuchaste sobre estos compuestos cuando la estatua de María Lionza fue trasladada para su restauración.

Niña con zarcillo de perlas. Jan Vermeer (1632-1675).

El restaurador no sólo repara obras de arte sino que estudia el comportamiento de las mismas a lo largo del tiempo. Su papel es clave en el reconocimiento de alteraciones o falsificaciones de piezas artísticas. Un ejemplo es el sonado caso de las falsificaciones de las obras del famoso pintor holandés Jan Vermeer. La fechoría era cometida por un comerciante de pinturas conocido como Han Van Meegeren, quien falsificaba las obras raspando los pigmentos antiguos o mezclando la tinta con fenol y formaldehído para transformarlos en baquelita que al hornear la pieza los hacía duros e insolubles como los colores antiguos. Si bien este delincuente conocía a la perfección las técnicas de falsificación, cometió errores al emplear pigmentos como el azul de cobalto, sintetizado en el siglo XVI pero industrializado en el siglo XIX, y al usar baquelita.

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Apoyo didáctico

Una de las técnicas utilizadas para separar componentes de mezclas es la cromatografía. Se basa en el principio de la distribución de sus componentes entre dos fases, una estacionaria y una móvil. Un tipo de cromatografía es la de papel en la que el agua absorbida por éste es la fase estacionaria y la móvil es una mezcla de solventes como alcoholagua, amoníaco-agua, etc. La separación de los componentes se logra cuando hay diferencias de movilidad de cada uno de ellos, por ser retenidos en mayor o menor grado por la fase estacionaria.

¿Cómo separar los colorantes? Materiales: • Un papel absorbente (mejor papel de filtro) rectangular de 10 cm por 15 cm. • Caramelos de diferente color. • Colorantes para tortas. • Vinagre (o ácido acético, el cual diluirás hasta el 10 % en agua). • Palillos de dientes (o capilares de vidrio). • Un vaso recto de unos 12-14 cm de alto (también puede ser un vaso de precipitados). • Un rectángulo de plástico de cocina o una bolsita de plástico suficientemente grande como para tapar la boca del vaso. • Una liguita, dos clips, lápiz, regla.

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• •

¿Qué vas hacer? • Prepara el papel: sobre el papel traza con un lápiz, en el lado más ancho, una línea a un centímetro de cada borde. En una de las líneas marca puntos separados centímetro y medio uno del otro a partir de un centímetro del borde perpendicular a la línea. • Prepara la “cámara”: en el fondo del vaso coloca con cuidado una cantidad de vinagre o de solución de ácido acético hasta alcanzar una altura de medio centímetro. Tapa el vaso con el plástico y deja que se sature la atmósfera dentro del vaso; eso toma unos 10 minutos. • Prepara las muestras que contienen los colorantes a separar en cucharillas de café. Si son caramelos, disuelve cada uno por separado en una pequeña cantidad de agua hasta obtener una solución coloreada. Diluye una gota de cada colorante de torta con dos gotas de agua. • Aplica las muestras: con un capilar diferente en cada caso (o un palillo) aplica una mínima cantidad de cada solución de colorante sobre los diferentes puntos que has marcado en el papel. Deben verse los puntos coloreados. Deja secar el papel durante unos 5 minutos. • Arregla el papel: enrolla el papel por el lado mayor, con los puntos coloreados hacia afuera formando un tubo de modo que las manchas queden visibles. Asegura el rollo con los dos clips. • Comienza el desarrollo cromatográfico: introduce el tubo dentro del vaso que recién has destapado con cuidado de no tocar las paredes y de que queden las manchas en la parte inferior. Repón rápidamente el plástico y asegúralo con la liguita. Las manchas deben quedar fuera del borde del solvente que está en el vaso. Espera a que el solvente ascienda por el papel hasta la raya superior. • Lee el cromatograma: cuando el solvente haya alcanzado la raya superior saca el papel del vaso, extrae los clips y déjalo secar al aire. Eso toma unos 15 - 20 minutos. Ese papel con las manchas es el “cromatograma”. Con la regla mide la distancia recorrida por el solvente y por cada mancha en ellas utiliza el sitio de mayor concentración de colorante para definir el camino recorrido. El cociente entre la distancia de una mancha y la distancia del solvente se conoce como Rf y es un valor típico para cada compuesto y con una combinación particular de solventes y tipos de papel. Es posible que en el primer intento no se visualicen bien las diferentes manchas, por lo que será necesario repetir el experimento ajustando concentraciones de la muestras y del ácido acético. Discusión: ¿Se puede verificar si alguno de estos colorantes son iguales a los utilizados para las tortas? ¿Es posible averiguar cuántos colorantes contienen los caramelos? ¿Corresponde cada mancha a un solo colorante?

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Una hebra de cabello está constituida por dos partes fundamentales: la que peinamos (externa) y una incorporada a la piel que forma el cuero cabelludo. Es la parte externa la que modificamos: teñimos, peinamos, lavamos, rizamos… Esta parte es una fibra polimérica compleja constituida principalmente por queratina, una proteína con una cantidad importante del aminoácido cisteína y un pigmento natural que también es un polímero: la melanina. Este último está prácticamente ausente en el cabello canoso.

Médula Corteza del cabello

Los champúes

Glándula sebácea

El champú es una palabra que se originó en India y que significa “masajear el cuero cabelludo”; es la sustancia capaz de limpiar el cabello y el cuero cabelludo. Se trata de un invento reciente, antiguamente se usaban las cenizas de la chimenea para esa función. Está compuesto por “surfactantes” como el sulfato de laurilo que actúa como el jabón; tiene una parte polar que es atraída por el agua y una no polar que es atraída por las grasas. Cuando se produce espuma y se masajea el cabello se extraen la grasa y el sucio. Existen diferentes tipos de surfactantes y sus combinaciones son las que permiten las variedades de champú según los tipos de cabello. Después del lavado se recomienda el uso de un acondicionador que elimina el exceso de champú, restablece el pH del cabello y suministra aceites para dar brillo ya que los naturales se han perdido durante el lavado.

Folículo piloso Vasos sanguíneos

El mundo de la química

Capítulo IX: La química de todos los días ¿Ondulado o lacio? La apariencia del cabello cambia cuando se rompen los enlaces azufre-azufre de la cisteína. En ese principio se basan los productos para desrices y “permanentes”, estas últimas usadas para rizar el cabello. La acción de ondular o desrizar el cabello ocurre en dos reacciones químicas: 1. Se rompen los enlaces de azufre entre los residuos de cisteína por acción de un agente reductor. El más popular es el tioglicolato de amonio y para las cremas desrizantes también se emplean hidróxido de sodio, de amonio o guanidina. En este paso la estructura de la hebra se destruye y puede mantenerse ya lisa (desrizada) si el cabello estirado se neutraliza con una solución ácida o ya rizada si el cabello se envuelve en rollos especiales. 2. Se regeneran los enlaces S–S mediante un agente oxidante, como agua oxigenada, perborato de sodio (NaBO2.H2O2.3H2O) y otros. En este último paso se utiliza la llamada “solución neutralizadora” que restablece la estructura y el pH del cabello. La solución neutralizadora contiene además humectantes y emolientes con un agente oxidante (peróxido de hidrógeno, H2O2) y así restaura el pH del cabello. El principio del “desriz” es romper los enlaces de azufre con cremas con base de hidróxido de sodio o hidróxido de guanadina, y luego neutralizarlos con una solución ácida.

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Colorantes de cabello Uno de los conflictos de los seres humanos es su temor a envejecer. Algunos de los indicios físicos de que ello está ocurriendo es generalmente la aparición de canas en la cabeza. Si bien no necesariamente los cabellos blancos son sinónimo de vejez, a la edad en que se presenten son causantes de muchas angustias. Adicionalmente, la moda o la necesidad de mejorar la apariencia personal ha colocado en el mercado una amplia variedad de productos para teñir el cabello. En la coloración del cabello se aplican básicamente los mismos principios utilizados en la coloración de textiles. Los comerciales que promocionan tintes capilares indican que se puede disponer de tintes temporales, permanentes o más conservadoramente llamados “semipermanentes” que “mantienen el color después de múltiples lavadas”.

Qué son y cómo actúan los tintes La química del tinte NH2

NH

OH

NH2 m-aminofenol

O

OH

H 2N

Indofenol: tinte rojo

Oxidación con H2O2

OH p-aminofenol

N

OH O quinona-imina

OH

OH Resorcinol

N

O Indofenol: tinte amarillo

OH

Los tintes temporales, que desaparecen después de algunas pocas lavadas, son generalmente moléculas grandes que se depositan sobre la superficie de la hebra sin penetrar en la fibra proteica y por ello son eliminados por el champú. Los tintes semi-permanentes y permanentes consisten en moléculas pequeñas solubles en agua que penetran en la fibra y se fijan a ella. A menudo se vuelven insolubles a través de la formación de complejos metálicos de cobre o cobalto cuyas sales son suministradas en el mismo tinte, o bien mediante oxidación, por ejemplo con agua oxigenada, con la cual se desarrolla el color deseado en el colorante impregnado en la hebra. Si bien el color no es totalmente eliminado de la hebra, después de varias lavadas su tonalidad cambia (generalmente se aclara) porque los complejos fibra-colorantes se descomponen principalmente por acción de la luz solar. Estos colorantes son generalmente derivados de la fenilendiamina y del para-aminofenol. Hay muchas formulaciones y el color deseado se logra utilizando diferentes combinaciones de moléculas colorantes en el producto comercial.

Cómo una morena puede convertirse en rubia y viceversa Los tintes son efectivos si el color aplicado es más oscuro que el cabello natural. Sin embargo, la coquetería no tiene límites y así algunas morenas tropicales desean una cabellera nórdica. Para ello deben decolorarse el cabello. El cabello es decolorado con agua oxigenada u otro peróxido que destruye el pigmento por oxidación. El proceso es más efectivo si el oxidante se mezcla con amoníaco (hidróxido de amonio) y por supuesto, no solamente se cambia el color sino que también se destruye la estructura de la hebra haciéndola esponjosa y muy frágil.

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Cosméticos: Química al servicio de la belleza y la estética Buena parte de los comerciales de TV hace referencia a productos de aseo personal y a aquellos que mejoran nuestra apariencia, a los llamados cosméticos. Consideraremos en esta parte los tintes, humectantes, champúes, jabones, perfumes y productos de

Aceite de castor Glicol-propileno Amarillo Nº 5 Propilparabeno Zábila (Aloe vera) Azul Nº 1 Aceites minerales Aceite de candelilla BHA Naranja Nº 5 Cera de abejas

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Cetilester Carnauba Ácido cítrico

Rojo Nº 27 Rojo Nº 21

El maquillaje para realzar la belleza El maquillaje no sólo ha sido un ritual de belleza sino que es parte esencial de ritos religiosos y de la caracterización de los actores en obras de teatro o del cine. Podemos encontrar delineadores de ojos, alargadores de pestañas, polvos y pinturas de labios. La primera vez que apareció el labial en la presentación que hoy conocemos, en tubo, fue en 1915; era de color “carmín” resultado de tratar el colorante cochinilla con amoníaco. En los años 20 se introdujo al mercado el primer labial indeleble. La pintura de labios está compuesta por una base, colorantes y aditivos como perfumes, ceras, antisépticos y protectores solares. La base hace que el labial no se disuelva en agua; anteriormente se usaba un aceite y ahora se utiliza una mezcla de aceite con cera que favorece la aplicación del producto. Para que no se “fracture” la pintura se añade un éster como el miristato de isopropilo. Para los colores se usa una “laca”. Una laca es un tinte que se prepara con un colorante directo añadido a un sustrato al cual se une por absorción, coprecipitación o combinación química, es decir no es una simple mezcla. Las lacas son un tipo de pigmentos (insolubles en agua o aceite) y como todos ellos son opacas. Para prevenir la resequedad de los labios por acción del Sol o de la deshidratación se usan también productos hechos sólo a base de emolientes e hidratantes. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo IX: La química de todos los días • fascículo 28


El perfume: Fragancia que nos hace inolvidables Sin duda alguna, los olores son sustancias que nos identifican y nos permiten evocar recuerdos, lugares, comidas y personas. Una de las principales aplicaciones de los aromas es en los perfumes y colonias. Esta industria es una de la más competitivas y la que posee mayores secretos. La naturaleza nos provee la mayor cantidad de aceites esenciales que son la base de los aromas. Antiguamente se maceraban los pétalos de la flores para extraer los aceites. Ahora se extraen con solventes. Las esencias sintéticas, por su gran estabilidad y fácil obtención, han desplazado a las naturales y su producción se ha transformado en un emporio económico. La colonia Jean Marie Farina o la 4711 son las que han permanecido a través del tiempo y Chanel No.5 es la fragancia más popular.

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Etiqueta de la precursora del Jean Marie Farina “Maria Clementine Martin” (1826) y una etiqueta del Nº 4711 con fecha de 1881.

El flúor, elemento más electronegativo, tiene la misión de proteger los dientes contra la caries Algunas pastas dentales están compuestas en un gran porcentaje de yeso, carbonato de calcio o de óxido de aluminio, abrasivos que por la acción del cepillado eliminan el sarro de los dientes y las impurezas. Los dientes están compuestos por esmalte, 96 % de hidroxiapatita (fosfato de calcio) y dentina. Las caries atacan inicialmente el esmalte y para prevenirlas se usa el flúor. Este elemento, que algunas veces se presenta como floruro de sodio, entra en contacto con la hidroxiapatita y la transforma en fluorapatita, un material que resulta más resistente. Es por ello que en algunos países para la prevención de las caries añaden flúor al agua. Los dentríficos contienen, además, agentes blanqueadores, espesantes, humectantes y saborizantes como la menta. Una higiene adecuada y las visitas frecuentes al odontólogo ayudan al flúor a prevenir las caries. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo IX: La química de todos los días • fascículo 28


Protectores y bloqueadores solares: Barreras benéficas para la piel La piel bronceada se ha traducido de manera peligrosa en sinónimo de belleza y de salud. Si bien los rayos solares nos benefician, ya que favorecen múltiples procesos en nuestro cuerpo, recibidos de manera no controlada pueden producir severos daños en nuestra piel y en nuestro sistema interno llegando a desembocar, por ejemplo, en cáncer de piel. Componentes altamente energéticos de la radiación solar como los rayos ultravioleta tienen la mayor responsabilidad en el daño a la piel. De ellos, los rayos ultravioletas-C y parte de los ultravioletas-B son filtrados parcialmente por la capa de ozono y ello explica la existencia de la vida sobre la tierra.

¿Cómo protegernos? Todo tipo de piel expuesta mucho tiempo al Sol es susceptible a los efectos de la radiación solar; el efecto varía según el tiempo de exposición que puede tolerar cada piel hasta manifestar enrojecimiento o bronceado. En el mercado se dispone de varios productos denominados protectores y bloqueadores solares. La diferencia entre ellos es el mecanismo de protección. Los bloqueadores previenen que los rayos alcancen, al menos en parte, las células epiteliales porque actúan como una pantalla física gracias al dióxido de titanio que contienen y que reflejan los rayos. Los protectores o filtros solares actúan a nivel químico con componentes que absorben la radiación UVB (290-320 nm) y UVA (320-400 nm). Estos compuestos son conocidos como filtros de protección solar y aparecen en la etiqueta del producto con las siglas FPS acompañados de un número que va desde 15 hasta 45. A medida que el número es mayor el producto es más eficiente como protector solar. Algunos de estos compuestos son el p-metoxicinamato de 2-etoxietilo y el p-metoxibenzoato de monoglicerilo como ingredientes activos. Era frecuente encontrar PABA: ácido p-amino benzoico como ingrediente de los protectores solares, sin embargo su uso se ha reducido ya que se ha demostrado que es responsable de reacciones adversas en la piel.

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Ningún filtro solar protege completamente puesto que su acción controladora se restringe a una parte del espectro solar quedando la piel expuesta al resto de las radiaciones. La ingesta de ciertos alimentos o medicamentos seguida de una exposición al Sol ha sido responsable de efectos no deseados en la piel de algunas personas y este es un factor que hay que tener en cuenta cuando te quieras broncear. Para la ingesta de antioxidantes orales como la vitamina C o E durante la exposición al Sol consulta a tu médico. Evita el uso de bronceadores caseros, como cerveza o aceites con zanahoria o remolacha, ya que pueden provocar quemaduras y manchas en la piel.

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El órgano más grande del cuerpo tiene sed Ese órgano es la piel, cuyas dimensiones pueden llegar a 7 m2 en el caso de un adulto. Su principal característica es la flexibilidad para poder ir a la par de los movimientos corporales. Una piel humectada permitirá que eso ocurra. La piel tiene una capa externa conocida como epidermis compuesta por células en constante renovación. Su espesor varía en las diferentes partes del cuerpo. La proteína principal de esta capa es la queratina que le confiere cierta rigidez y la hace impermeable. Para mantenerse suficientemente flexible recibe las secreciones sebáceas a través de los poros y los canales que alojan los vellos. La capa interior que le sigue es la dermis que, constituida por células vivas y cuyas proteínas principales son el colágeno y la elastina, le confieren flexibilidad excepcional. La dermis y la epidermis conforman el “cutis”.

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Desde el exterior hacia el interior podemos distinguir tres capas de tejidos: 1. La piel superficial (epidermis), 2. La dermis o corion y 3. El tejido subcutáneo, hipodermis o subcutis. La epidermis y la dermis conforman el cutis, o lo que se entiende como la piel propiamente dicha.

Fabricando jabón. Short Lady Collection. Fuente: www.blattelbrittonstudios.com

Muchas veces sometemos a nuestra piel a condiciones extremas y es vital restituirle su humedad. Para ello se usan hidratantes que son sustancias compuestas por humectantes tal como la glicerina y el sorbitol, y emolientes como aceites de lanolina y sésamo entre otros. ¿Podrías decir cuáles son las funciones de cada uno?

Apoyo didáctico Fabricando jabones caseros Se recomienda no usar el aceite de freír más de una vez porque es nocivo para la salud. Pero, ¿qué podemos hacer con él? Jabones para lavar. Mezcla 100 ml de aceite comestible usado y filtrado a través de un lienzo o una mota de algodón para eliminar restos sólidos con 70 ml de agua. Añade 20 g de hidróxido de sodio y calienta en un recipiente de acero o de vidrio con agitación constante hasta su ebullición. Notarás la formación de una pasta fluida a medida que prosigue el calentamiento. Cuando no se forme más emulsión vierte la mezcla en moldes (puedes usar cajitas de fósforos) y déjala enfriar y solidificar. Esto tardará al menos un día. El sólido obtenido es un jabón altamente alcalino por lo cual no es conveniente utilizarlo en la limpieza corporal. El método primitivo de fabricación del jabón era utilizando sebo o grasa animal y cenizas.

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¿Qué es el papel? El papel es un producto de origen vegetal. Su constituyente es la celulosa, un polímero con el mismo tipo de monómero que el almidón: la glucosa. Pero, ¿en qué difieren el almidón que consumimos en forma de pan y el papel de nuestros cuadernos o libros? Pues en la manera en que se unen las moléculas de glucosa entre sí. Pero, si ambos polímeros tienen glucosa, ¿por qué los humanos pueden aprovechar la glucosa del almidón pero no la de la celulosa? La respuesta involucra al sistema enzimático que poseemos que sólo es capaz de romper las uniones entre unidades de glucosa que se presentan en las moléculas de almidón. Éstas son las enzimas conocidas como amilasas. La principal característica del papel es su rigidez que dependerá de la fibra y de la pulpa de celulosa que se use. Otras de sus propiedades son la resistencia al rasgado, la resistencia superficial y su resistencia a la absorción de agua. Dependiendo del uso al que esté destinado el papel tendrá un proceso de fabricación específico.

Hay un insecto que hace su nido de papel

La avispa corta la corteza y las hojas de los árboles con sus mandíbulas, las muele y con su saliva hace una pasta: con ella construye su nido. Ese material resulta ser parecido al cartón. Cuentan que la labor de la avispa fue observada por un chino quien imitó al insecto y logró así hacer la primera hoja de papel.

Tipos de papel

R Celulosa – OH + R’

CH – CH – CH2 C O

C O

O

R CH – CH R’

CH2

C – OH C O

223

C

O Celulosa

La celulosa que conforma el papel es hidrofílica ya que sus grupos -OH interaccionan con las moléculas de agua. Para alterar esta situación, se añaden al papel compuestos químicos para que esta condición pueda ser controlada, aumentándola o disminuyéndola. Antiguamente se usaban sustancias ácidas, pero éstas deterioraban muy pronto el papel. En la actualidad se utilizan aditivos que son compuestos hodrofóbicos como el dímero de alquilceteno (AKD) y el anhídrido alquisuccínico (ASA). Una manera de clasificar el papel es de acuerdo con su capacidad para la absorción de agua. Los papeles más absorbentes son las servilletas y toallines; les sigue el papel de bolsa de panadería o de “abasto”. El papel de escritura o de impresión posee capacidades variables de acuerdo con su uso. Igualmente, el cartón que se utiliza para envasar leche o jugos no permite el paso del agua porque es tratado con los productos químicos antes mencionados que no sólo impiden el paso del agua sino que le dan fuerza al papel en su interior y en la superficie.

Diversos motivos decorativos realizados con papel de arroz.

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x Dió

e carbono ido d

Bosque maderero

Fabricación del papel Fibras de madera, fibras provenientes del prensado de la caña de azúcar, cartón y papel viejo (reciclaje de papel), trapos de algodón o lino son disueltos en una solución concentrada de hidróxido de sodio y sulfato de sodio y calor (llamada digestión alcalina) o en una solución ácida concentrada con bisulfito de calcio (digestión ácida). La pasta así obtenida se blanquea y se prensa en láminas delgadas. El papel así obtenido es poroso y está constituido solamente por celulosa; para fabricar papeles de mayor calidad se añade a la pasta sulfato de bario o de calcio (caolín), y jabones resinosos para obtener papel fino.

Papel y cartón usado Papel y cartón no reciclado

Papel y cartón recuperado

Como habrás notado a lo largo de este capítulo, muchas de las cosas que usamos comúnmente en nuestra vida son de origen natural, y la tinta es otro ejemplo de ello.

Papel y productos de cartón Desechos de madera Molino de pulpa y papel

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Papel y tinta, compañeros inseparables Se cree que la tinta fue inventada por los chinos. La más antigua se basaba en el negro de humos pero la más duradera fue la conocida como la tinta ferrogálica que provenía del roble. Las notas de Leonardo Da Vinci (imagen), las partituras del músico Johann Sebastian Bach y los dibujos de Van Gogh fueron realizados con esta tinta. Tenía la propiedad de ser imborrable y adherirse muy bien al pergamino que era el papel de mayor uso en siglos pasados. Esta tinta “quemaba” u oxidaba el papel por la presencia del ácido tánico, que son fenoles, entre sus componentes. Fueron muchas las limitaciones de su uso sobre todo porque variaba su color y deterioraba el papel dificultando la conservación de documentos históricos. Con el tiempo, fue sustituida por tintas sintéticas; a partir del siglo XIII fue cuando aparecieron las tintas con color. Uno de los componentes básicos de la tinta es el pigmento, una sustancia que se encuentra dispersa en el vehículo que a su vez tiene la función de hacer llegar el color al papel desde el bolígrafo o desde la prensa. El pigmento no se disuelve en el vehículo y una vez aplicado permanece sobre la superficie de aplicación. Para evitar que la tinta “se corra” se usan aceites secantes hidrófobos que contienen catalizadores de magnesio y zinc. Hay una gran variedad de tintas que se clasifican como grasas líquidas e intermedias y que se emplean en función del proceso de impresión que se desee realizar.

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El papel moneda es un papel especial que tiene algodón y que por la presencia de aditivos adquiere la resistencia necesaria que exige su uso. La “marca de agua” es una imagen que se forma por la diferencia de espesor en un papel y se origina cuando el papel húmedo se prensa con un rodillo que contiene las marcas o signos deseados; puede observarse cuando el billete se pone a contraluz. La “marca de agua” se coloca en el papel moneda para evitar la falsificación de los billetes. Como ejercicio te proponemos buscar en los billetes de diferentes denominaciones las marcas de agua e identificarlas.

El mundo de la química

Capítulo IX: La química de todos los días

Apoyo didáctico Reciclemos el papel Para esta actividad deberás conseguir un bastidor o construirlo. - Recolecta el papel usado que reciclarás (puede ser el conocido como “bond”). - Córtalo con las manos en trozos pequeños y déjalo remojar durante 24 horas en agua. - Licua esta mezcla en una licuadora hasta obtener una pasta. - Por otro lado, recolecta aproximadamente 200 g de fibra vegetal como hojas de plátano o piña. Córtalas en trozos pequeños y remójalas en agua durante 12 horas; luego calienta la mezcla con 20 g de hidróxido de sodio por espacio de 3 horas. Agita la solución cada cierto tiempo. Deja enfriar, cuela, lava muy bien la fibra y licúala como hiciste con el papel. - En un recipiente plástico grande coloca la pasta de papel y la de hojas, añádele agua y mézclala bien. - Introduce el bastidor en el recipiente y sácalo lentamente, luego sacude el marco de un lado a otro. - Retira el marco superior del bastidor y voltea la hoja sobre una tela de algodón cubriéndola con otra tela. - Presiona la tela con dos maderas más grandes que ella y deja escurrir. Retira las maderas y alisa el papel con un rodillo. - Deja secar a la sombra durante dos días.

Fascículo 29


La tinta sobre la piel: Los tatuajes El arte de tatuar el cuerpo es milenario. Los egipcios, chinos y muchas tribus de América y África lo usaron como parte de sus rituales religiosos. En un uso más mundano, todos recordamos a Popeye, personaje de una historieta famosa, quien en el brazo tiene un ancla tatuada. En una época, el tatuaje identificó a sectores sociales marginados como presos o bandas juveniles. En la actualidad es una moda y cada vez más jóvenes se adaptan a ella. Pero, ¿qué sabes sobre las tintas que se usan? ¿Pueden dañar la piel? ¿El tatuaje es para toda la vida? El pigmento se encuentra disperso en una suspensión coloidal cuyas partículas son grandes para reflejar mejor la luz y para darle así iluminación al dibujo sobre la piel. El agente dispersante es un glicol. Cuando el pigmento entra en contacto con la piel se activa el sistema inmune, pero debido a que el tamaño de las partículas es muy grande no pueden ser eliminadas. Es por ello que el sistema aísla al pigmento encapsulándolo y así permanecerá debajo de la piel de por vida.

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Los pigmentos negros se logran a base de carbón, los blancos de óxido de titanio, los rojos y amarillos de sulfuro de mercurio y de cadmio respectivamente (estos últimos son muy tóxicos). Hoy día es posible, pero con mucha dificultad, remover un tatuaje con el uso del láser porque ocasiona cicatrices. El tatuaje ha sido un factor serio en la transmisión de enfermedades como la hepatitis C.

Un truco de magia: Tinta invisible Con la ayuda de un pincel y jugo de limón o vinagre escribe tu nombre en una hoja de papel. Deja secar. Luego coloca el papel cerca de una hornilla o de un bombillo, ten cuidado de no quemarte. A continuación verás cómo, progresivamente, podrás leer lo que escribiste en el papel. ¿Cómo explicas este fenómeno? Compártelo con tu profesor.

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Saponificación y jabón La preocupación del ser humano por la limpieza del cuerpo y de su entorno se conoce desde siempre. En el Antiguo Testamento se mencionan sustancias limpiadoras. En 1783, Carl Scheele encontró, de forma accidental, la reacción que se usa hasta hoy para la fabricación del jabón al calentar grasa animal con ceniza. El jabón está constituido por sales de ácidos grasos. Si reconocemos que las grasas y los aceites son triglicéridos de ácidos grasos, es decir, compuestos formados por glicerina y tres moléculas de ácidos grasos, es fácil entender que los jabones se obtienen directamente al hervir el sebo animal con una base fuerte como el hidróxido de sodio, y es por ello que la reacción se conoce como saponificación:

Ácidos grasos + NaOH

jabón + glicerina

Los ácidos grasos que se requieren para la fabricación del jabón se obtienen de los aceites de sebo, grasa y pescado. Los jabones duros se fabrican con aceites y grasas que contienen un elevado porcentaje de ácidos saturados, los cuales se saponifican con el hidróxido de sodio. Los jabones blandos semifluidos se producen con aceite de lino, aceite de semilla de algodón y aceite de pescado y se saponifican con hidróxido de potasio. El poder dispersante del jabón le permite eliminar las partículas sólidas que constituyen la suciedad manteniéndolas en suspensión, a fin de que luego sean arrastradas con agua durante el baño.

Publicidad del jabón Pears utilizando imágenes de Sudán (colonia inglesa) en 1884

¿Cómo se saca el sucio? La primera pregunta es: ¿qué es el sucio? La respuesta es sencilla: es un “material ubicado en un sitio no deseado”. Un trozo de chocolate en la boca es un alimento pero sobre una camisa es un sucio. Para sacarlo es necesario aislarlo del tejido y para ello se aprovecha el poder dispersante de un jabón que permite eliminar las partículas sólidas manteniéndolas en suspensión a fin de poder ser arrastradas por el agua durante el enjuague. Estos “capturadores de sucio” actúan formando un escudo alrededor de la partícula de sucio, conocido como “micela”; esta propiedad se debe a la estructura de las moléculas de jabón.

Karl W. Scheele, químico alemán (1742-1786) .

Micela

Pero no solamente el jabón es capaz de formar micelas. Otros compuestos análogos, conocidos como “detergentes”, también pueden hacerlo. ¿Y cuál es esa característica estructural? Ambos tipos de moléculas están constituidas por dos zonas: una lipofílica (afín a las grasas), la cual corresponde a la cadena de hidrocarburos de los ácidos grasos, y una hidrofílica (afín al agua) que corresponde a una sal: es la parte iónica de la molécula. En el caso de los jabones, esa parte iónica está formada por un grupo carboxilato y un catión sodio u otro catión, mientras que para los detergentes en lugar de un grupo carboxilato está un grupo sulfato (o un grupo sufonato) también acompañado de su contraión (ión de carga opuesta). Así, cuando las moléculas de jabón o de detergente se colocan en agua que tiene partículas de grasa, las moléculas se dirigen de tal manera que rodean a la partícula con la parte lipofílica y dejan las cabezas hidrofílicas dirigidas hacia afuera, hacia las moléculas de agua (recuerda que “semejante disuelve a semejante”). Esta disposición o micela evita que la grasa se adhiera a la superficie de nuevo y, al mantenerla en suspensión en el agua, puede ser eliminada con enjuague.

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Sucio

C Cola nopolar

O- Na+

O

Estearato de sodio: Un jabón

O O S Cola nopolar

O- Na+

Cabeza soluble en agua

Lauril sulfato de sodio: Un detergente

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Detergentes, limpiadores El hombre no sólo desarrolló productos de aseo corporal sino que se preocupó también por la limpieza de sus vestimentas y de su entorno. Sobre todo porque con ello garantizaba su salud. Civilizaciones antiguas sólo poseían agua para limpiar. Se le atribuye al químico alemán Krafft, en el siglo XIX, el descubrimiento del primer detergente, pero como no se le consiguió utilidad alguna se dejó en el olvido. Fue en el siglo XX, durante la segunda guerra mundial, en la que escaseaba el jabón, cuando otros químicos retomaron el invento desechado y crearon el primer detergente, conocido como Nekal.

¿Son los emulsificantes sólo útiles para la limpieza? La propiedad de formar micelas le confiere a los detergentes características particulares. Estos materiales se engloban dentro de aquellos conocidos como “surfactantes o tensoactivos”. Esta propiedad es aplicada a la recuperación terciaria del petróleo y es así como funciona la Orimulsión® que será revisada en el capítulo correspondiente al petróleo.

¿La espuma es lo que limpia? Asociamos la cantidad de espuma con la limpieza; pensamos: mientras más espuma más limpieza. Pero, ¿de qué depende la limpieza? Son muchos los factores: suciedad, tipo de detergente, temperatura, lavado, tiempo de remojo. El detergente más apropiado será el que emulsione mejor el sucio en las condiciones de trabajo.

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La espuma está compuesta por una cantidad de burbujas, unas al lado de otras, formando un gran tapiz superficial.

Apoyo didáctico Construye la escala de pH de detergentes y auxiliares de limpieza En tu casa busca productos de limpieza como jabones y otros; clasifícalos de acuerdo con el pH que presenten. Te damos la siguiente escala para apoyarte en la actividad. Para medir el pH de las sustancias, solicita ayuda a tu profesor. Rango de pH Tipo de sustancia 2-3

Limpiadores de metales

4-5

Jabones líquidos

6

Geles de baño

7

Jabón neutro, astrigentes de piel grasa

8-9

Pastilla de jabón (prueba con varias marcas)

10

Desinfectantes líquidos

11

Blanqueadores

12-14

Limpiadores de horno

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¿Cómo se compone un detergente? Los detergentes comerciales que utilizamos en el lavado de la ropa tienen varios componentes, cada uno con funciones específicas que a continuación se mencionan. Surfactantes. Están presentes en porcentajes del 8 y 10 % y son los responsables de formar las micelas y así remover el sucio. La cabeza polar de un surfactante puede tener diferente naturaleza química y, según ella, tendremos surfactantes aniónicos como el laurilsulfato de sodio antes mencionado y, más representativamente, los “alquilarilsulfonatos de sodio” (no biodegradables) en los cuales una cadena de hidrocarburo está directamente unida al azufre. Tendremos también los surfactantes catiónicos (cuya cabeza polar está constituida por sales de amonio), los cuales no son muy eficientes como limpiadores y se emplean como suavizantes en los detergentes domésticos (ver abajo), y los surfactantes no iónicos, cuya cabeza polar es un alcohol, utilizados, por ejemplo, en detergentes destinados a ropa fina. Agentes ablandadores. Están presentes en proporciones variadas desde el 5 al 25 % dependiendo de la formulación comercial. Potencian la acción de los surfactantes porque pueden acomplejar iones calcio y sodio presentes en el agua y mantienen la alcalinidad del medio. Los más conocidos son los polifosfatos, zeolitas cuya estructura molecular permite la retención de los iones actuando como tamiz, EDTA (ácido etilendiamino tetracético) que es un agente acomplejante de iones calcio. Agentes auxiliares. Ayudan a la fluidez del polvo o del líquido dependiendo de las características del detergente. Los más usados son el sulfato de sodio y el borax (borato de sodio hidratado).

O H 3C

S O- Na+

CH2 11

O

229

Familia de los alquil aril sulfonato

Blanqueadores. Por lo general, son agentes oxidantes que se activan a temperturas mayores de 60 ºC. Uno que funciona a temperatura ambiente es la TAED, tetraacetilendiamina, y el “cloro” que es una solución del 3 al 5 % de hipoclorito de sodio. Sustancias fluorescentes. Dan brillo a las fibras por absorción y emisión de luz UV. También se conocen como abrillantadores. Enzimas (0,75 %). Se añaden a los detergentes para ayudar a limpiar la suciedad de origen biológico como grasa o sangre. Suavizantes. Controlan la estática de las fibras y ayudan a secarlas más rápidamente; el suavizante más usado es el DSDMAC, cloruro de diesterarildimetilamonio. Y no podían faltar los colorantes y aromatizantes que terminan de darle a la ropa “olor a limpio”. Revisa la etiqueta del detergente que compran en tu casa e identifica sus compuestos.

En ciertas concentraciones las moléculas de surfactantes en solución se agrupan conformando micelas. Estas micelas son las responsables de la solubilización de la grasa adherida.

H3C

CH3 N +

Agentes limpiadores que contaminan el ambiente

Cl-

DSDMAC

El desarrollo de detergentes más efectivos ha causado un serio impacto ambiental. Sobre todo porque los residuos se acumulan en suelos y aguas. Los surfactantes han sido cambiados por compuestos biodegradables que contienen restos de carbohidratos en su formulación. Los fosfatos que fueron cambiados por las zeolitas, ahora pueden ser eliminados por un tratamiento especial y volver a ser usados. Otro factor importante a considerar es el gran gasto energético que resulta del lavado. Es por ello que se tienden a usar componentes que trabajen a temperatura ambiente.

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El “blanco” sinónimo de pureza y de limpieza: Blanqueadores

Claude Louis Berthollet, químico francés (1748-1822), preparó la “eau de javel”.

Antiguamente, el blanqueador que se utilizaba era el Sol, al que le siguió el uso de soluciones alcalinas como el “agua de ceniza” que se preparaba mezclando cenizas con agua caliente y su acción alcalina era controlada con leche agria o soluciones muy diluidas de “aceite de vitriolo” (ácido sulfúrico). Estas condiciones extremas dañaban muy rápidamente los tejidos. Por suerte, en la actualidad se cuenta con blanqueadores más eficientes y menos dañinos para los tejidos y, así, cuando se promocionan detergentes blanqueadores, escuchamos la expresión: “blanco, blanco”. El hipoclorito de sodio (NaOCl) es el principal componente de los blanqueadores y desinfectantes: a la vez que oxida las sustancias orgánicas presentes en el sucio tiene una función antiséptica. Este compuesto se obtiene por la reacción de cloro con hidróxido de sodio. Cuando se habla del porcentaje de cloro en el blaqueador se trata del porcentaje de hipoclorito. Esta sustancia sustituyó a la famosa lejía o “agua de javel”, un popular blanqueador que dejaba la ropa amarillenta, y por eso se dice ahora que “el blanco nunca fue tan blanco”.

Manos a la obra: Lavaplatos 230

La naturaleza del sucio que se desea retirar es básicamente grasosa, por eso en los comerciales de televisión se habla frecuentemente del “corta grasas”. Otra cualidad que se resalta de los lavaplatos es que eliminen la grasa sin dejar residuo, al punto de que “el agua escurre”, por eso es que se dice que los platos “rechinan” de limpio. Los principales componentes del lavaplatos son un surfactante no iónico cuya cadena es un polímero polioxietileno y un ablandador de agua.

Ácidos y bases también son aliados en la limpieza

Los destapa-cañerías y limpia-hornos están compuestos por hidróxido de sodio o potasio debido a que disuelven fácilmente las grasas ya que pueden hidrolizarlas (saponificarlas) y con ello solubilizarlas en agua. En la etiqueta del limpia-hornos puedes leer: “retire el limpiador y lave con una solución de vinagre”. ¿Por qué se da esta instrucción? Porque este producto es altamente corrosivo y debe usarse con cuidado. Es por ello que se ha tratado de sustituir por otros como la etanolamina, pero con resultados poco satisfactorios. Hay algunos hornos auto-limpiantes que están hechos de una cerámica porosa la cual contiene un oxidante capaz de transformar los residuos orgánicos en CO2 y agua. Otro compuesto muy conocido para estos fines es el hidróxido de amonio (mal llamado amoníaco), pero su fuerte olor limita su uso. Como dato curioso, el amoníaco conocido como “cuerno de ciervo” era empleado para reanimar a personas desmayadas. Al finalizar la instalación de un piso de cerámica o terracota se recomienda que sea lavado con una solución de ácido muriático o ácido clorhídrico para remover el exceso de “pego” u otros residuos. Igualmente, los limpiadores de pocetas o sanitarios más usados contienen ácido clorhídrico (HCl), ya que remueven el “sarro” y otros residuos que se adhieren a la cerámica. Como sucede con la espuma del jabón, pensamos que mientras más corrosivo es el limpiador, mejor es su acción, por lo que algunas veces no nos contentamos con usarlos sino que además los mezclamos, hecho altamente peligroso. Una mezcla frecuente y que no se debe hacer porque causa irritaciones respiratorias, es la del limpiador de poceta con cloro. ¿Sabes cuál es el gas “picante” que se forma?

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¿Sabías que un éter mantiene la ducha siempre limpia? Hay productos de limpieza que se aplican después de una ducha, cuando la cerámica aún está caliente luego de un baño: son aquellos preparados a base de un emulsionante que tiene como cadena lipofílica varias uniones de éter. Esto limpiadores que vienen en spray son rociados sobre la superficie húmeda y caliente de la ducha sobre la cual se han depositado la grasa, el jabón y las micelas formadas con el jabón y la grasa corporal. Allí ocurre un intercambio y se forma una nueva micela con el surfactante añadido que, al enfriarse las paredes, queda adherida a ellas y será removida en el siguiente baño. La acción limpiadora de estos productos se completa con EDTA (ver detergentes) y con el alcohol isopropílico que ayuda a reducir la tensión superficial del agua y aumenta su capacidad de “mojar” las superficies.

Hasta ahora hemos afirmado que muchos limpiadores son corrosivos y tóxicos. Los limpiadores de metales que encontramos en el mercado no escapan a esa característica. Aprovechando las propiedades de la plata, te indicaremos cómo hacer un limpiador muy efectivo.

La molécula de EDTA atrapa el calcio en un arreglo de cuatro dedos O HO

C CH2

HO

C CH2 O

O CH2 C OH N CH2 CH2 N

231

CH2 C OH O

Ácido etilendiaminotetracético (EDTA)

Apoyo didáctico Una reacción que deja a la plata reluciente El responsable del oscurecimiento de la plata es el sulfuro de plata que se forma en la superficie del objeto, ya sea por la acción del sulfuro de hidrógeno presente en el ambiente o por los aminoácidos azufrados, presentes en la piel, en el caso de las joyas. Igualmente, algunos alimentos, por ejemplo los huevos, contienen azufre y ennegrecen los cubiertos de plata. Para esta actividad necesitarás un trozo de papel de aluminio, bicarbonato de sodio, sal común y agua. En un recipiente coloca un trozo de papel de aluminio con el lado brillante hacia arriba; añade una solución de 1 g de bicarbonato de sodio y 1 g de sal común disuelta en 1 L de agua caliente. Mete el papel en el agua y coloca la pieza a limpiar en contacto con el papel sumergiéndola en la solución. Anota tus observaciones.

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Cucaracha envuelta en ámbar -resina vegetal- hace 300 millones de años

Insecticidas Las cucarachas son los insectos más combatidos por el hombre, no sólo porque son causantes de muchas enfermedades sino porque su presencia en nuestras casas es sinónimo de suciedad. A estos “indeseables” se les conoce como “fósiles vivientes” ya que existen en el planeta desde hace millones de años y se ha determinado que no han variado su apariencia a pesar de las múltiples transformaciones que ha sufrido nuestro planeta. Pero hay muchos otros insectos y es imposible tratar el tema de la limpieza del hogar sin mencionar los productos que los controlan. Entre ellos tenemos los insecticidas que matan los insectos; los repelentes que, como su nombre lo indica, los alejan de nosotros; los inhibidores del apetito y los que detienen los ciclos de desarrollo de los insectos. A continuación te daremos algunos ejemplos de estas sustancias.

Un remedio antiguo pero efectivo: Ácido bórico (H3BO3) Este es uno de los químicos más efectivos contra las cucarachas. Se adhiere electroestáticamente a la cutícula del insecto cuando camina sobre él y su acción se ejerce por ataque al estómago del insecto. Tiene acción residual si se mantiene seco y no es volátil.

232

O C

C2H5 N C2H5

H3C

Otros insecticidas no naturales usados contra las cucarachas fueron los organofosforados dursban y safrotin, los cuales atacaban el sistema nervioso de los insectos pero también el de los humanos, por ello fueron descontinuados. Hoy día, en la búsqueda de un agente que las pueda eliminar efectivamente, se estudian factores como la comida, el agua y el ambiente, responsables de la presencia de estos animales indeseables. La prevención es una de las acciones más recomendable así como la limpieza de las áreas de mayor presencia de esos bichos, como la cocina y las alacenas.

DEET-N,N-dietil-m-toluamida

Los repelentes mandan a los insectos al otro lado Estos productos son otro tipo de químicos para protegernos de los insectos, sobre todo de los zancudos. Muchas veces hemos estado en la playa y hemos usado el humo que resulta de quemar las conchas secas del coco para espantar las nubes de zancudos que nos atacan durante la noche. El estudio del sistema olfativo de estos insectos permitió el desarrollo de sustancias efectivas para protegernos de sus picadas, ya sea frotándonos con ella o rociándonos con un spray. Uno de los productos sintéticos más usados es el DEET. También podemos utilizar productos naturales aunque son menos eficientes, por ejemplo las conchas de limón que contienen limoneno o las hojas de citronela, conocida localmente como “malojillo”. El aceite de citronela (una mezcla de aceites esenciales disueltos en aceites ligeros derivados del petróleo) se expende como producto para quemar en antorchas utilizadas en fiestas campestres que además de iluminar, ahuyentan la “plaga”.

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Eating man.

Alimentos

Jacob Jordaens, pintor flamenco (1593-1678).

Los alimentos son sustancias de origen animal o vegetal que constituyen la fuente principal de energía de todos los seres vivos. Los componentes principales de la dieta son varios, a saber: carbohidratos, grasas, proteínas, minerales, vitaminas y agua. De todos ellos te daremos ejemplos en el fascículo sobre la energía. En este capítulo pretendemos seguir mostrándote la química en tu cotidianidad y los alimentos nos ofrecen una excelente oportunidad para ello. La mayoría de los alimentos que consumimos provienen del cultivo de plantas o de la cría de animales. A pesar de que el hombre ha desarrollado mecanismos para acelerar la producción de alimentos, encuentra limitaciones como la falta de agua, las luchas contra las plagas o los cambios climáticos que pueden causar pérdidas de cosechas enteras. Como has leído en fascículos anteriores, polímeros y medicamentos naturales, por razones de producción y costo, han sido sustituidos por sintéticos. Los alimentos no escapan a todo esto. Así es como la producción de alimentos sintéticos no es una ficción sino una realidad. A continuación te daremos dos buenos ejemplos.

El mundo de la química

Capítulo IX: La química de todos los días Ya no necesitaremos yuca para obtener almidón El almidón es un carbohidrato importante de amplio uso en la industria de la alimentación. Como verás más tarde, es posible obtenerlo de la yuca. Pero también se puede sintetizar como describiremos a continuación, sin mucha dificultad, ni altos costos energéticos. La materia prima es:

C + H2O + calor

CO + H2

El monóxido de carbono reacciona con hidrógeno para formar metanol. ¿Recuerdas qué es lo que se forma cuando se oxida un alcohol? Pues un aldehído a partir del cual se obtendrá la glucosa. Finalmente, el almidón resultará de la unión de varias moléculas del azúcar. Revisa en los alimentos de tu casa cuántos de ellos contienen almidón entre sus componentes. Si bien pareciera posible y fácil obtener alimentos a partir de carbono o petróleo, podríamos preguntarnos: ¿por qué realizamos cultivos si son tan complicados y costosos de mantener? Vale la pena recordar que el proceso involucrado en reacciones como por ejemplo la “obtención de la glucosa a partir del metanol y aún más del almidón” requiere de una tecnología todavía no disponible, a pesar de poder ser representadas con una ecuación.

Fascículo 30


Algunas “curiosidades” de los alimentos ¿Por qué la cebolla nos hace llorar? La cebolla contienen trans-(+)-S-(1-propenil)-L-cisteína sulfóxido, una molécula que es inodora. Cuando cortas la cebolla produces roturas celulares que permiten a una enzima llamada alinasa entrar en contacto con el sulfóxido, produciendo piruvato, amoníaco y syn-propanotial-Sóxido. Esta última molécula es la responsable de la irritación ocular y del lagrimeo. Si se sumerge en agua antes de ser manipulada no produce lagrimeo porque el compuesto volátil queda en solución.

El ajo antibacterial Es la planta medicinal más estudiada; tiene propiedades antibacteriales, antiinflamatorias, anticancerígenas y hasta es un eficaz repelente de los vampiros. Su componente más activo es la alicina que, al reaccionar consigo misma, produce el ajoene, un potente antitrombogénico.

La lechosa y la piña ablandan la carne 234

Seguramente has visto que antes de asar la carne en una parrilla le colocan rebanadas de lechosa. Esta fruta es rica en una enzima conocida como papaína, la cual rompe el colágeno de la carne y por eso la ablanda. La piña contiene la enzima bromelina que fue descubierta y aislada, en 1891, por el químico venezolano Vicente Marcano.

¿Qué es esa capa blanca que se ve sobre el chocolate? Muchas veces cuando el chocolate se ha fundido y se solidifica nuevamente observamos que se forma una capa blanca: se trata de una grasa saturada proveniente del mismo chocolate. Aunque no afecta el sabor del manjar lo hace muy poco atractivo.

¿Qué hace que el pan “crezca”? La levadura es un hongo que produce la fermentación mediante enzimas. Durante el proceso de fermentación se libera dióxido de carbono que es el causante de que el pan se “esponje”, la levadura también le da su sabor característico.

¿Sabías que la leche es una emulsión? Una emulsión es una mezcla homogénea de dos líquidos que son inmiscibles entre sí. Como su unión es inestable, para evitar que los líquidos se separen se añaden agentes emulsionantes que los mantienen unidos. Es el caso de la leche que es una mezcla de agua y grasa que contiene emulsificantes naturales como la lecitina. Otro caso es el de la mezcla de agua y aceite que, al agitarla, presenta una turbidez, una emulsión, que con el tiempo desaparece y se forman de nuevo dos fases. Identifica otros alimentos que presenten este comportamiento. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo IX: La química de todos los días • fascículo 30


Parece carne, casi sabe a carne, pero no es carne La carne es una fuente de proteínas; cuando la ingerimos nuestro organismo la rompe en unidades más pequeñas denominadas aminoácidos. Debido a su escasez y costo se han buscado vías para sustituirla. Así, se ha tratado de “sintetizar carne” utilizando almidón y fibra para darle textura, y saborizantes sintéticos que le da sabor, entre ellos, el glutamato de sodio. Otras fuentes alternativas de proteínas es la clorella, un alga rica en clorofila que es posible obtener en grandes cantidades: sólo requiere Sol, nitrógeno, dióxido de carbono y agua y sus costos de producción son muy bajos. Esta alga se vende libremente en tiendas naturistas; consulta a tu médico antes de ingerirla.

Clorella. Chlorella gundersen.

235

¿Qué son los alimentos transgénicos? Los alimentos transgénicos son todos aquellos que han sido fabricados o producidos con materias primas de organismos genéticamente modificados (OGM). La Unión Europea (UE) define Organismo Genéticamente Modificado como aquel organismo, con la excepción de los seres humanos, en el que el material genético ha sido modificado de una manera que no se produce naturalmente en el apareamiento ni en la recombinación natural. Antes de salir al mercado para su comercialización, un alimento transgénico es probado con métodos bioquímicos y aprobado por organismos de salud pública. Una vez que se determina que el producto es seguro y no produce daño alguno a sus potenciales consumidores, pasa a la venta. Este tipo de producto puede beneficiarnos de muchas maneras puesto que se logra sin alterar las cualidades sustanciales del alimento. La mayoría de los transgénicos son creados con la idea de mitigar el hambre en el mundo, potenciar las cualidades nutricionales de los alimentos y aumentar su período de conservación. En la actualidad existe controversia acerca del consumo de los alimentos transgénicos, ya que se sospecha que puedan causar daños ambientales y alergias. Discute este tema con tu profesor.

CÓMO SE CREA UNA PLANTA TRANSGÉNICA

1

Cromosoma

Primero se aisla el gen que se quiere insertar en el código genético de la planta (puede provenir de otra planta, de una bacteria, de un virus o incluso del hombre)

Gen

A Mediante la utilización de Agrobacterium

2

A

El gen se inserta en la bacteria Agrobactérium

3 2 3

B

A La bacteria lleva el gen y lo introduce en la célula germinal

B Mediante bombardeo de genes El gen que ha sido seleccionado se adhiere a microbolas

B

4

5

6

Después se inserta en el ADN de la planta a “cañonazos”

Una vez llegada esta fase por cualquiera de los dos medios, la célula en la que ha sido introducido el gen se multiplica en laboratorio

A continuación llega el momento del cultivo del que ya se obtendrá la planta modificada genéticamente

Por último, esta planta se cruza con otras de la misma especie, para de este modo obtener una variedad los más productiva posible

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Conservación de alimentos Uno de los mayores retos de la industria de los alimentos es su conservación, es decir, evitar que sean atacados por microorganismos que los descompongan acarreando pérdidas económicas y daños graves a la salud de los consumidores. Publicidad de refrigeradores Frigidaire, 1929.

Cuando leíste el título de este apartado pensaste inmediatamente en el sistema de conservación más conocido que es el de la refrigeración. Si bien el invento del refrigerador data del siglo XVIII, la técnica de conservación mediante el frío se conoce desde la prehistoria. La misma se basa en que el frío retrasa la descomposición de los alimentos evitando la proliferación de microorganismos, sin embargo, muchos de ellos sobreviven a las bajas temperaturas y se activan al descongelar los alimentos. En 1784, William Cullen inventó la primera máquina de enfriar. Usó para ello la evaporación de un líquido volátil (el éter nitroso): a este tipo de sustancias se las llama refrigerantes. No obstante, el primer refrigerador doméstico no se fabricó sino hasta 1927.

Revista LIFE, Vol. 59 No. 2 (1965).

¿Cómo funciona un refrigerador? Comenzaremos por recordarte que lo natural es que la energía en forma de calor fluya de un sistema de alta temperatura a otro de baja temperatura. Pues bien, en un refrigerador ocurrirá lo contrario, por lo cual será necesario hacer un trabajo para ir contra lo natural, así como se debe hacer un trabajo para levantar una piedra cuya tendencia natural es a caer.

236 Refrigerador

Válvula de expansión

Compresor

El refrigerante saca energía en forma de calor del interior de la nevera y su congelador, los cuales se encuentran a una temperatura entre 7 ºC y -10 ºC, y la transfiere al exterior, normalmente entre 25 ºC y 30 ºC. Para ello es necesario suministrar energía eléctrica. Ahora sabes porqué es necesario enchufar la nevera. El refrigerante líquido saca energía en forma de calor de la nevera gracias a que es muy volátil y es capaz de pasar a líquido (vaporizarse) a muy bajas temperaturas. Recuerda que para el cambio de líquido a gas se requiere absorber energía. El refrigerante transformado en gas se dirige al compresor. En éste, por efecto del aumento de presión, el gas se licua y se calienta, por esta razón el exterior de la nevera se siente caliente. El líquido pasa por la válvula de expansión produciéndose entonces un enfriamiento y parte del líquido se evapora. El líquido volverá al interior de la nevera para tomar energía en forma de calor, pasar de nuevo a gas y continuar el ciclo. Cuando abrimos el congelador sentimos frío: es la consecuencia de que el aire encerrado en él (-10 ºC) haga contacto con nuestra piel (37 ºC) y el gas absorba rápidamente "calor" de nuestro cuerpo o nos ceda su "frío". En realidad mejor será decir que hay una transferencia de energía del sistema del sistema de mayor temperatura al de menor temperatura.

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Mezclas frigoríficas Eran la mezclas que se usaban en épocas pasadas para enfriar y consistían en añadir nitrato de sodio o sal al agua o al hielo. La temperatura bajaba ya que la sal al entrar en contacto con el hielo lo disolvía y se formaba entonces una disolución saturada cuyo calor absorbía el hielo, haciendo que la temperatura disminuyera por debajo de los 0 °C. Este principio de enfriamiento es el que se usa en las máquinas de helado manuales o en las que se venden en jugueterías. Las mezclas frigoríficas también se usaron en algunos experimentos de laboratorio como los realizados por Boyle; en la actualidad se usa “hielo seco”. Otra de las sustancias usadas para enfriar es el nitrógeno líquido cuya temperatura es de -196 °C.

Los refrigerantes Luego del éter (dióxido de carbono) se empezaron a usar compuestos fluorcarbonados como refrigerantes. El más usado fue el diclorodifluorometano, freón o refrigerante-12. Lamentablemente esos compuestos son los responsables de la destrucción de la capa de ozono y por resolución del Protocolo de Montreal deberán sustituirse por otros menos contaminantes como los hidrofluorcarbonados.

Afiche para la venta de entradas al espectáculo de música electrónica Freón. Los Ángeles, EE.UU.

237

Cada refrigerante tiene una temperatura de vaporización específica que se alcanza aplicando la presión adecuada. El método de conservación de los alimentos usando el frío es la congelación; bajo estas condiciones pueden conservarse crudos o cocidos. El proceso ocurre muy rápidamente a temperaturas de -30 °C para que no se formen cristales de hielo que destruyan las membranas celulares y deterioren la apariencia de los alimentos. La intención es congelar la mayor cantidad de agua que ellos contengan. También se encuentran alimentos ultracongelados, lo cual se logra a temperaturas menores de los -40 °C. El hombre no sólo usó el frío para conservar sus alimentos sino que también ensayó otras técnicas y una de ellas fue la salación. En la actualidad conseguimos carne, pescado o embutidos conservados mediante esa técnica. La misma se basa en que la sal deshidrata los alimentos así como los microorganismos. Otra técnica era el secado al Sol de los alimentos, más usada en frutos y vegetales. La elaboración de conservas en frascos de vidrio tuvo su origen en el siglo XVIII; emplea un líquido conservante como aceite o vinagre y es gran aliada de las amas de casa.

¿Sabías que...? El proceso de momificación consistía en la extracción del cerebro por la nariz y luego se sacaban las vísceras que eran lavadas y colocadas en vasijas diferentes, cada una de ellas bajo la protección de un Dios. El único órgano que se dejaba era el corazón. Finalmente el cuerpo era sumergido durante 50 días en una bañera que contenía “natrón”, una mezcla de sal y bicarbonato, hasta el disecado del cuerpo, para finalmente rellenarlo y vendarlo. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo IX: La química de todos los días • fascículo 30


Pasteurización y evaporación Las necesidades que tiene el hombre en cuanto a almacenamiento, comercialización y consumo, hizo que se desarrollaran alternativas mucho más eficientes para los procesos de conservación. Ahora te describiremos dos de ellos: la pasteurización y la evaporación.

La pasteurización Nombre que se le dio en honor al científico francés Louis Pasteur, quien lo usó por primera vez. Consiste en la destrucción de los microorganismos por acción del calor, a temperaturas mayores de 100 °C. Se usa sobre todo en lácteos, vinos y bebidas en general. Como no elimina todas la bacterias requiere de refrigeración y, de todos modos, la duración de los alimentos no es muy prolongada. La leche de “larga duración” es sometida a procesos de mayor temperatura en los cuales se trata por separado la nata y la leche. Muchos consumidores alegan que el sabor se modifica por el tratamiento y la leche “no sabe a leche”.

Leche evaporada y leche condensada: Simplemente leche 238

Son el resultado de dos métodos para conservar la leche. En ambos casos se les elimina el 60 % de su contenido de agua, sólo que a la leche condensada se le añade sacarosa.

Un poco de historia Louis Pasteur (1822-1895), químico y bacteriólogo francés; su primer aporte a la ciencia fue su descubrimiento sobre la isomería óptica, la relación entre la estructura molecular y la desviación de la luz polarizada. Los resultados con el ácido tartárico lo llevaron a expresar: “la vida es una función de la asimetría del Universo”. Sus trabajos sobre la fermentación alcohólica le permitieron rebatir la “teoría de la generación espontánea”. A solicitud de Napoleón III, estudia la alteración del vino causada por gérmenes parásitos, y propone un tratamiento para evitarlo: somete el vino a un proceso de calentamiento sin aire dando así inicio a lo que se conoce como pasteurización. Entre 1878 y 1880 descubre tres de los microorganismos responsables de las enfermedades humanas: los estreptococos, estafilococos y neumococos. Luego realizó trabajos de inmunización contra el cólera y la rabia. En 1887 se crea el instituto que lleva su nombre, inicialmente como centro de vacunación contra la rabia. En la actualidad es un centro de investigación y enseñanza donde labora Luc Montagnier, descubridor del virus del SIDA. Los restos de Pasteur fueron enterrados en el sótano de su casa, la cual actualmente es un museo ubicado en las cercanías del instituto. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo IX: La química de todos los días • fascículo 30


Enlatado de alimentos

Sopas Campbell’s Andy Warholl, artista norteamericano (1928-1987).

Este método, patentado en 1810 por el inglés Peter Durand, se basa en el método de las conservas antes comentado. Durand empacó la comida al vacío en latas de estaño. En la actualidad, las latas son de acero con una cubierta de estaño. Es una técnica que se aplica a todo tipo de alimentos; el único requisito es que la materia prima sea de excelente calidad. La misma debe ser esterilizada antes de envasarse y de inmediato debe cerrarse la lata herméticamente. Finalmente, las latas también son esterilizadas. Antes de consumir alimentos enlatados es importante observar la apariencia de la lata, la cual no debe estar abombada o con “abolladuras” u óxido, ya que esos son indicadores de que la calidad del contenido está alterada lo que puede afectar la salud del consumidor.

Conservantes químicos Son sustancias que se agregan a los alimentos empaquetados o enlatados para conservarlos. Son motivo de controversias ya que se ha detectado que algunos causan alergias como el p-hidroxibenzoato de etilo, o son cancerígenos como los nitratos de sodio o de potasio. Otro conservante que no se escapa de esta polémica es el glutamato de sodio, presunto responsable del “síndrome del restaurante chino”, por ser uno de los ingredientes principales de esta comida; se manifiesta con ardor en la nuca, inflamación y náuseas. Un conservante natural muy usado es el azúcar.

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La irradiación: Un método de conservación de los alimentos Es un método físico de conservación en el que se expone a los alimentos a una radiación, tipo gamma del cobalto radioactivo (60Co). En función de la intensidad de la radiación se obtienen distintos efectos: retarda la maduración de los alimentos, reduce la contaminación por bacterias y también esteriliza los víveres. La radiación aumenta los períodos de conservación y no altera los nutrientes de los alimentos. Tiene limitaciones para usarse en la leche o en otras sustancias que contengan mucha agua.

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La cocción de alimentos Hemos hablado de la conservación de los alimentos y no podemos omitir la cocción, donde también interviene la química. Se presume que la cocción de los alimentos data de la era en que el hombre descubrió el fuego y era principalmente utilizada para cocinar carne. Aunque en algunas culturas el hombre prefiere el consumo de los alimentos crudos, sin duda el proceso de cocción aumenta la calidad del sabor si se hace correctamente, de manera que los alimentos sean de más fácil digestión. Sin embargo, hay que tener en cuenta que este principio no es aplicable a cualquier alimento y, por otra parte, el exceso de cocción puede descomponer las vitaminas presentes en el alimento crudo. Aunque, a la vez, la cocción puede descomponer principios tóxicos de algunos alimentos crudos: tal es el caso de la yuca. La yuca tiene un principio cianogénico llamado linamarina que puede causar envenenamiento aún en pequeñas cantidades. Por calentamiento prolongado de la yuca, bien sea durante el hervido o en la cocción de las tortas de casabe, la linamarina se descompone y el ácido cianhídrico que se origina es eliminado por el calor, por lo que la yuca cocida se transforma en un alimento seguro para su consumo.

¿Cuáles son la fuentes de energía que tenemos a nuestra disposición para cocinar los alimentos?

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El fuego, la electricidad y hasta el Sol. Encontraremos por un lado cocinas a gas, y por el otro ollas, sartenes y cocinas eléctricas.

Cocinando con derivados orgánicos

Combustible

kJ/g

propano

50,6

butano

49,4

gasolina

46,4

querosene

43,1

alcohol

29,7

El fuego de las brasas, madera o carbón fueron los primeros medios de cocción; aún se usan en algunas zonas y regiones en todo el mundo. El “gas natural”, mezcla de etano, propano y butano es el que se conoce como el gas doméstico, el mismo que llega a nuestras casas de manera directa o por bombonas. Por estar bajo presión, el gas está licuado y es almacenado en cilindros (bombonas) de metal grueso y resistente acoplados a una válvula que regula el suministro. Las bombonas no se llenan completamente pues hay que dejar espacio para que los gases en equilibrio con el líquido ocupen el resto de la bombona y sean éstos los que lleguen a los quemadores de la cocina. Los hidrocarburos que están presentes en el gas natural son fundamentalmente propano, butano e isobutano, acompañados de menores cantidades de etano y pentanos. Cada uno tiene un calor de combustión particular.

Calor de combustión de algunos combustibles En la tabla anexa se indican los calores de combustión de algunos combustibles. Para que te hagas una idea, para calentar un litro de agua se necesita 330 kJ/g.

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¿Tienes fuego? Es una pregunta que hacemos convencionalmente cuando queremos encender la cocina. Los “fósforos” o “cerillos” se usan para prender el fuego y están hechos de trozos de madera o papel encerado y una “cabeza” de sulfuro de antimonio, clorato de potasio y azufre. Se frotan contra una superficie que contiene fósforo rojo. La reacción se inicia por frotación, la cual genera el calor que hace reaccionar al fósforo; el calor que despide al frotarlo enciende al azufre y éste, a su vez, enciende la madera del cerillo. Otra manera de producir fuego es con encendedores, los cuales contienen gas butano; la combustión y la llama ocurren al crear una chispa que enciende el gas. Es el mismo principio de los encendedores de cocina, tipo piezoeléctricos, en los que la chispa la produce un arco eléctrico que se crea al accionar el dispositivo.

El mundo de la química

Capítulo IX: La química de todos los días Prometeo le robó el fuego a los dioses para dárselo al hombre Son muchas las leyendas que tratan de explicar el origen del fuego. Una de ellas se narra en el mito de Prometeo, un titán que quiso liberar al hombre del yugo de los dioses y procedió a robar el fuego sagrado para dárselo a la humanidad por lo que fue severamente castigado. Son muchas las versiones pero se sabe que una de las maneras más antiguas de producir fuego era mediante un pedernal, una roca sedimentaria de silicio, la cual se hacía chocar con pirita, otro mineral de hierro, lo que creaba chispas. Otra forma de hacer fuego que habrás visto en las películas es frotando dos trozos de madera.

Prometheus (Detalle) Gustave Moreau, pintor francés (1826-1898).

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¿Cómo cocinamos los alimentos? Ya tenemos la energía para cocinar alimentos de acuerdo a nuestra preferencia; pero hay muchas maneras de hacerlo: a la brasa, al vapor, friéndolos... Cada forma tiene sus ventajas y desventajas. Molécula del colesterol

Los prefiero fritos Este modo de cocción es uno de lo más atractivos a la vista y el de mayor demanda. Pero para la salud es uno de los más nocivos ya que se requieren aceites o grasas que cuando se calientan pueden descomponerse de varias maneras. Por ser las grasas ésteres de ácidos grasos y glicerina, el calor puede provocar la hidrólisis de esos grupos funcionales, los ésteres y, como resultado, el aceite toma el olor rancio típico de los ácidos grasos libres. Por otra parte, las grasas insaturadas, que son aquellas que presentan dobles enlaces en la porción de los ácidos grasos, sufren oxidación por calentamiento, proceso por el cual pueden: a) romper la cadena y formar compuestos de menor peso molecular y de olor desagradable, y b) formar compuestos poliméricos que se depositan y que aparecen como las “gomas” típicas de los aceites sobrecalentados. Durante las oxidaciones los procesos involucrados ocurren a través de radicales libres, lo cual es causa de múltiples afecciones. Para evitar (o al menos disminuir) la formación de radicales libres, a los aceites comestibles se le añaden compuestos antioxidantes como el BHT, que es un producto sintético.

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El vapor es más sano

El francés Denis Papin fue el inventor de la olla a presión, pero su comercialización en aquel momento, siglo XVII, no fue muy afortunada: accidentes y alimentos crudos marcaron el “debut” de este invento. Sólo fue en la década de los cincuenta del siglo pasado cuando se inició su comercialización.

El vapor es uno de los métodos preferidos para cocinar vegetales ya que conserva muy bien su sabor y apariencia. Hay que considerar dos tipos diferentes de cocción al vapor. Una, aquella que tiene lugar a presión atmosférica, es decir, en ollas abiertas en la que se coloca el alimento en tamices sobre agua hirviendo sin que el agua lo toque y dos, aquella en la que se utiliza la olla de presión de vapor. En éste último se tiene un sistema cerrado donde el vapor está a presiones mayores que en el caso de la cocción a presión atmosférica. Para que haya vapor en cantidades apreciables es necesario que el agua hierva y el punto de ebullición del agua depende de la presión a la cual está sometida; la temperatura que alcanza el agua en estas ollas es considerablemente mayor. Ello implica que los procesos de despolimerización de proteínas o carbohidratos (causantes del ablandamiento de los alimentos durante su cocción) tienen lugar más rápidamente, con lo que el alimento está menos tiempo en contacto con la alta temperatura y así puede preservar algunas vitaminas intactas.

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Calentar agua en la hornilla Una parte de la energía de las llamas de la cocina (gases de combustión) se transfiere al recipiente y su contenido; el resto de la energía se transfiere al aire circundante. A esta energía que se transfiere la llamamos calor. El recipiente actúa como intermediario de la transferencia de energía. El calor transferido al recipiente y su contenido se “almacena” en ellos como energía interna. Primero como energía cinética de las moléculas y, en consecuencia, se eleva la temperatura del agua. Después, cuando el agua alcanza su temperatura de ebullición, la energía suministrada se utiliza para vencer las fuerzas que mantienen a las moléculas de agua en forma de líquido y el agua comienza a evaporarse. La energía suministrada sirvió para realizar el trabajo necesario a fin de llevar las moléculas del líquido al vapor. A esta energía necesaria para llevar las moléculas del líquido al vapor se le llama “energía latente de vaporización”. El agua continuará hirviendo a temperatura constante.

B A

Una gran cantidad de energía es necesaria para transformar 100 °C de agua caliente en 100 °C de vapor. Cuando la molécula de agua se evapora (A) adquiere una cantidad de energía. Como el vapor de agua se mueve a través de la olla (línea punteada) ésta transporta energía o energía latente. La molécula al llegar a la superficie de lo que se va a cocinar (más fría) se condensa (B), liberando energía. Cuando la temperatura excede los 100 °C este proceso se efectúa rápida y eficientemente desde el agua hirviendo a la comida.

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El horno de microondas El horno de microondas nos sirve para calentar, cocinar y descongelar alimentos. Las microondas son de longitud mayor a las ultravioleta pero menor que las de radio. Su función es hacer rotar violentamente las moléculas de agua presentes en los alimentos y eso se traduce en calor: los alimentos se calientan. Es posible dorar los alimentos con empaques de papeles metalizados, los cuales actúan como espejos y reflejan el calor sobre la superficie del alimento (lo doran). Sin embargo, no es posible calentar los alimentos con envases metálicos ya que los rayos se reflejan, crean chispas y pueden dañar el horno. Preguntar quién inventó las microondas es como preguntar por quién inventó la electricidad. La energía del microondas es un fenómeno natural que ocurre cuando la corriente eléctrica fluye a través de un conductor. Las microondas son una forma de radiación electromagnética que es muy similar a la luz solar y a las ondas de radio.

Divisor de haz

Ventilador que extiende las ondas

El magnetrón produce ondas de alta frecuencia

Ondas Las paredes metálicas reflejan las ondas

Superficie de cocción Plato giratorio

Horno de microondas

Como muchas grandes invenciones, el horno de microondas es un producto derivado de otra tecnología. Fue durante un proyecto de investigación relacionado con el radar cuando Percy Spencer notó algo muy inusual mientras probaba un magnetrón. Poco después de la Segunda Guerra Mundial, Spencer se detuvo momentáneamente delante de un magnetrón, el tubo de poder que impulsa un equipo de radar, sintiendo de pronto una extraña sensación: la barra de chocolate que traía en su bolsillo había empezado a derretirse. Inmediatamente fue por un poco de maíz para hacer cotufas, lo dispuso cerca del magnetrón y se alejó un poco para observar cómo empezaban a estallar los granos convirténdose en blancas palomitas de maíz. Entonces pensó en que si las cotufas podían cocinarse tan rápido, ¿por qué no otros alimentos? El primer horno desarrollado costaba 5 000 dólares y era del tamaño de una nevera. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo IX: La química de todos los días • fascículo 31


El fuego Son innumerables las aplicaciones beneficiosas del fuego, tantas como los efectos perjudiciales de este elemento sobre la naturaleza. Uno de los efectos más dañinos del fuego son los incendios. Provocados o no, siempre conducen a pérdidas materiales y humanas. La reacción exotérmica de una sustancia comburente, que tiene oxígeno, con una inflamable o combustible, puede originar un incendio. Instintivamente pensamos que para apagar un incendio basta con usar agua. Pero no, ella no siempre es efectiva: para detenerlo se requiere conocer las causas. Muchas son las maneras de controlarlo: una es por enfriamiento, sofocando o eliminando el oxígeno, aislándolo; otra, inhibiendo o interfiriendo la reacción que lo causó, en cuyo caso se usan extintores. Hay 4 tipos de incendios:

A

los que se producen en sólidos como madera o papel; en líquidos como la gasolina o el alcohol; en metales como el aluminio y el potasio; los producidos por cortocircuitos.

Para cada uno de ellos se usará un extintor específico.

Palanca de activación Manómetro

244

Manguera

Extintores: Los apagafuego Ahora te indicaremos cuál extintor usar en cada caso. Tipo de incendio

A

Contenido del extinguidor

Extintor de agua presurizada, espuma Extintor de dióxido de carbono

Recipiente Agente extintor Tubo sifón

Extintor con polvo químico especial Es importante tener un extintor en casa y otro en la escuela; es preciso saberlo usar y hacerle mantenimiento.

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Causas de los incendios forestales Los países de América Latina están registrando un progresivo aumento de los incendios forestales y, principalmente, de los daños y efectos que producen en el ambiente y en las comunidades cercanas. El impacto y las consecuencias sociales, económicas y ecológicas de los incendios en los variados ecosistemas naturales, a la biodiversidad y a la sustentabilidad ambiental, generan una preocupación inmensa a nivel nacional e internacional. Las principales causas de los incendios forestales son de origen antrópico (95 %). Entre ellas destacan las quemas para limpieza de tierras en Argentina (49 %), Brasil (32 %) y Venezuela (19 %). La causa intencional/incendiarios alcanza en Brasil el 41 %; en Venezuela 33 %; en Chile 27 % y en Argentina el 17 %. Adicionalmente, las altas temperaturas del verano aumentan el número de incendios, ya que la intensidad de la radiación solar crece. Por otro lado, las lluvias mal distribuidas favorecen la sequía de las plantas transformándolas en excelentes combustibles capaces de causar o propagar un incendio. También los vientos (aire en movimiento) en muchos de los casos actúan como transporte de tizones encendidos que logran iniciar el fuego en zonas más apartadas.

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Alarmas contra incendio Conocidas también como detectores de humo, las hay del tipo fotoeléctrico y del tipo iónico. Las alarmas del primer tipo se basan en propiedades ópticas: el humo que produce el incendio interfiere con una luz que posee el dispositivo y la célula fotoeléctrica que compone el aparato al no recibir la luz activa la alarma. Las segundas son del tipo químico; se basan en la ionización de las moléculas de nitrógeno y oxígeno del aire por parte de las partículas de helio que provienen de una fuente radioactiva hecha de americio 241. Se crea un flujo de iones y un flujo de corriente que sólo se interrumpe cuando entra humo, sustancia muy ionizante, lo que activa una alarma. El tiempo de vida media del isótopo del americio es de 432 años y no afecta la salud.

Bomberos de West Sussex (Inglaterra) haciendo campaña para el mantenimiento de los equipos detectores de humo.

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Los “chips”, antepasados de los nanomateriales “Chip” es un palabra inglesa que usamos en nuestro lenguaje cotidiano, al igual que muchas otras, y que denota tamaño pequeño o micro. Se define como un circuito micro donde se encuentran los componentes electrónicos para realizar una función. Para hacernos una idea del tamaño de estos circuitos, pensemos que una hebra de cabello tiene de ancho 100 mil nm, mientras que el tamaño de los chips de las computadoras es de 12 mil nm. Te interesará saber que una computadora posee 3 millones de estos dispositivos. Anteriormente los chips eran hechos de “tajadas” de silicio ultra puro, que luego de fundirse se solidificaban como un cristal similar al diamante. Recordemos que el silicio es un elemento perteneciente a la familia del carbono, con cuatro electrones en su capa externa, lo que le permite formar enlaces con otros compuestos al igual que consigo mismo (ver tema de la concatenación en el fascículo 22). En los años siguientes, los chips se trataron con impurezas, PH3 o B2H6, para hacerlos mejores conductores de electricidad.

Los chips de memoria contienen los “bits” de información 246

Estos circuitos están hechos de tres tipos de materiales: conductores eléctricos, no conductores y semiconductores. Una de las limitaciones de los dispositivos hechos con silicio y otros elementos era su poca resistencia al calor. Por ello se sustituyeron por carburo de silicio, más tolerante a las altas temperaturas y que no requieren dispositivos de enfriamiento, lo que permitió diseñar equipos mucho más compactos.

Fabricación de chips exige ambientes sin polvo Si consideramos que el tamaño de estos dispositivos puede ser de hasta 800 nm, una partícula de polvo podría inhabilitar su funcionamiento. En los cuartos para la fabricación de chips el aire es filtrado y conducido a través de orificios en el piso a fin de extraer las partículas de polvo. Del mismo modo, los trabajadores deben usar ropas especiales para que ni siquiera partículas o residuos que pueden estar en la piel y en el cabello contaminen los chips.

El transistor, otro miembro del árbol genealógico de la familia micro En 1948 los científicos estadounidenses John Bardeen, Walter Brattain y Willim Shockely (en la portada de la revista Electronics) inventaron el primer transistor usando pequeños cristales semiconductores para controlar y amplificar el flujo de electrones. Por ser más pequeños y consumir menos energía reemplazaron rápidamente a los tubos de vacío. Por este hallazgo estos hombres de ciencia recibieron el Premio Nobel de Física en 1956.

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Los semi-conductores Recordemos del capítulo III que, según la tabla periódica, los elementos se clasifican en metales, no metales y metaloides. El silicio y el galio, ¿a qué grupo pertenecen? Estos elementos son también conocidos como semi-conductores, ya que a temperatura ambiente son aislantes, no conducen electricidad, pero si la temperatura aumenta, se vuelven conductores: de allí el término semi-conductor. ¿Cómo explicas el cambio de esta propiedad en el galio y en el silicio? Consúltalo con tu profesor. Esta característica de los metaloides es muy bien aprovechada en la industria de los chips, cuando “envenena” las tajadas de silicio de los chips con elementos como el fósforo: elemento que tiene 5 electrones de valencia y se enlazará con los 4 del silicio dejando un electrón libre responsable de conducir electricidad.

¿Un nuevo estado de la materia? Los cristales líquidos ¿Recuerdas la característica principal que diferencia a los tres estados de la materia? Intenta imaginarte unas moléculas no esféricas sino alargadas como granos de arroz lo que les permite estar dispuestas aleatoriamente como en el estado líquido, pero ordenadas de cierta manera como en el sólido. Por tanto tendrán las propiedades de tomar la forma del recipiente que las contiene: viscosidad y fluidez del líquido y las propiedades ópticas de los sólidos. Los números del reloj digital de tu casa o del carro y la pantalla de la computadora portátil están hechos con cristales líquidos.

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¿Derivados del colesterol con dos temperaturas de fusión? Este hecho fue observado por el botánico austriaco Friedrich Reinitzer, quien al fundir a 146 ºC el derivado del colesterol notó que se formaba un líquido turbio, el cual se mantuvo hasta una temperatura diez grados más alta para fundirse de nuevo y formar un líquido más claro. También lo experimentó a bajas temperaturas y observó el mismo comportamiento pero con resultados opuestos. Mas, fue otro científico, Otto Lehmann, quien confirmó los resultados anteriores y bautizó a este nuevo estado de la materia como “cristal líquido”.

Nemáticos, esméticos y colestéricos: ¿Los habitantes de un nuevo planeta? No. Son los tres posibles arreglos moleculares que podemos encontrar en los cristales líquidos. El nemático es el más desordenado y el más fluido; para imaginártelo piensa en una caja de fósforos que contiene todos los cerillos colocados paralelamente. El esmético es el más ordenado, y se alinea en capas planas paralelas como las hojas de un libro. Finalmente, el colestérico tiene una estructura característica de compuestos similares al colesterol, en forma de hélice.

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CapĂ­tulo X:


Ya el capítulo VII se concentró en la química y en el amplio e importante uso de uno de los recursos naturales más significativos: el agua. Ahora se hará hincapié en la industria asociada con el recurso natural no renovable más importante: el petróleo. La sociedad moderna precisa de él para solventar muchas de sus necesidades. La palabra petróleo deriva de la fusión de los vocablos “petro” (piedra) y “óleum” (aceite), es decir, aceite de piedra. Debido a su naturaleza química, al petróleo y algunos de sus derivados se les llama también hidrocarburos.

El mundo de la química

Petróleo: Química e industria

Fascículo 32


Origen de un maravilloso recurso Nadie conoce el origen preciso del petróleo. Para explicarlo D. Mendeleiev propuso la hipótesis inorgánica, la cual sostiene que el petróleo se originó por la reacción del agua sobre alquinuros metálicos. La presión y la temperatura ocasionaron otras reacciones y polimerizaciones formando los demás componentes del petróleo. Sin embargo, la presencia de restos fósiles de animales y vegetales en los reservorios petroleros ha hecho que esta teoría sea descartada casi completamente. La más aceptada es la hipótesis orgánica que establece que el petróleo se produjo por los restos de plantas (hipótesis vegetal formulada por Kramer) o de animales (hipótesis animal presentada por Engler) que vivieron en los mares o lagos hace unos 500 millones de años, o por la combinación de ambos. Estos organismos murieron y con el tiempo quedaron cubiertos por sedimentos. La presión, el calor, el contacto con su entorno, la presencia de algunos microorganismos y, sobre todo, el paso del tiempo, fueron transformando muy lentamente las estructuras químicas orgánicas originales en otras menos complejas que pasaron a acumularse en las rocas porosas cercanas. Es a este conjunto bien diverso de compuestos orgánicos derivados de entidades vivas al que genéricamente llamamos petróleo. Es un hecho que este ciclo se sigue produciendo en la actualidad, sin embargo, la velocidad de su formación es tan lenta que, a todo efecto práctico que nos concierna como sociedad actual, el petróleo representa un recurso natural no renovable.

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La roca que dio origen a los hidrocarburos se conoce como Roca madre. Esta masa esponjosa es producto de los depósitos de mantos de arcillas, arenas, limos y sedimentos en general, con la deposición de fósiles se convirtió en el ambiente propicio para que se que originara el petróleo y el gas natural.

Un poco de historia La utilización del petróleo por parte del hombre se remonta a casi 5 000 años. En Venezuela, ya antes del viaje expedicionario de Colón, los indios conocían las ocurrencias naturales de hidrocarburos y al petróleo le llamaban Mene. En el año 1535, Gonzalo Fernández de Oviedo y Valdés, primer cronista de Indias, hace la primera referencia sobre el petróleo venezolano. Fue, sin embargo, Alexander von Humboldt, quien proporcionó la descripción sistemática de los depósitos de asfalto en Venezuela en el año 1814 en su Viaje a las Regiones Equinocciales del Nuevo Continente. Es el Dr. José María Vargas quien realiza el primer análisis de una muestra de crudo venezolano en el año 1839, recolectada en Pedernales, Cantón del Bajo Orinoco. El inicio de la extracción petrolera en el país se ubica en un pozo en el estado Táchira, en el año 1878, cuando el gobierno venezolano da una concesión a Manuel Antonio Pulido para que extrajera petróleo en su Hacienda de la Alquitrana. De allí nace la primera empresa petrolera en Venezuela: la Petrolia del Táchira. El 14 de diciembre de 1922 el pozo Los Barrosos Nº 2, mientras era perforado, reventó y sin control fluyeron durante diez días, aproximadamente, 100 mil barriles diarios, hasta que las arenas subterráneas lo taponaron.

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Petróleos de Venezuela S.A. (PDVSA) El primer día del año 1976 nace Petróleos de Venezuela S.A. (PDVSA) como la empresa estatal responsable de la planificación, coordinación y supervisión de la industria petrolera nacional. Tuvo su origen en el vencimiento de las concesiones de hidrocarburos de las compañías extranjeras que operaban en nuestro territorio (este proceso es llamado reversión). Su gestación quedó plasmada en el decreto número 1 123 del 30 de agosto de 1975. Su primer presidente fue Rafael Alfonzo Ravard. PDVSA inició sus operaciones con 14 empresas filiales que luego del primer año se condensan en tres: Lagoven, Maraven y Corpoven, las cuales asumieron las actividades de las concesionarias después de la nacionalización. A mediados de los años 80, la corporación venezolana inicia su expansión a nivel nacional y mundial, con la compra de refinerías y la participación en otras ubicadas en Alemania, Bélgica, Curaçao, Estados Unidos y Suecia. En los 90, la compañía estatal enfoca parte de sus esfuerzos sobre la Faja del Orinoco, la cual contiene importantes reservas de crudo pesado y extrapesado. La importancia estratégica de la faja queda plasmada en sus números oficiales: las reservas probadas están por el orden de los 60 000 a 200 000 millones de barriles. Para tener una comparación que permita apreciar este dato, es importante destacar que desde 1917 hasta 1994 se han producido en el país 46 421 millones de barriles de crudo de todo tipo. Sin embargo, por su naturaleza, la extracción y conversión en productos comerciales de estas reservas de crudo no es tan simple como la de los crudos livianos.

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Además, existe el proyecto para iniciar un ambicioso desarrollo costa afuera de nuestro territorio, lo que incrementaría las grandes reservas de hidrocarburos con que cuenta el país y que lo convierte en el principal reservorio de petróleo en el hemisferio occidental.

Organización de Países Exportadores de Petróleo (OPEP)

5

Venezuela Irán Arabia Saudita

Nigeria Estados Árabes Unidos

Irak

Kuwait

1

Argelia

Para el año 1999 la OPEP tenía 803 mil millones de barriles de reservas probadas de petróleo, es decir, el 78 % de las reservas probadas del mundo. Producía, en ese mismo año, el equivalente al 40 % de la producción diaria de petróleo del mundo que era de 72 mil millones de barriles.

10

Qatar

La organización fue creada en 1960 por iniciativa de Venezuela y Arabia Saudita, a los que se unieron progresivamente otros países. Hoy la conforman Arabia Saudita, Argelia, Emiratos Árabes Unidos, Indonesia, Kuwait, Irak, Irán, Libia, Nigeria, Qatar y Venezuela.

Producción países OPEP (1992-2003) Millones de barriles diarios

Indonesia Libia

Considerando la significación que estas siglas tienen dentro del contexto energético mundial, no cabe duda de que su importancia es bien trascendente. La Organización de Países Exportadores de Petróleo (OPEP) agrupa a un conjunto de países que actualmente genera entre un 30 y un 40 % de la producción mundial de petróleo, por tanto, sus decisiones afectan a la sociedad moderna de una forma bien significativa. Sus siglas en inglés son OPEC: Organization of the Petroleum Exporting Countries.

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El padre de la OPEP El Dr. Juan Pablo Pérez Alfonzo (1903-1979) fue uno de los venezolanos más ilustres y de más relevante actuación en materia petrolera en el mundo. Al frente del Ministerio de Minas e Hidrocarburos (1959-1963) tuvo una decisiva influencia en la aplicación de la política de no más concesiones; además, fue férreo defensor de los precios del crudo, promovió la creación de la Corporación Venezolana del Petróleo (CVP), antecedente de PDVSA, logró que Estados Unidos diera preferencia hemisférica al petróleo venezolano, participó de la reforma impositiva en el año 1961 y fue determinante su intervención en la creación de la OPEP.

¿Sabías que...? Van a cumplirse 70 años desde que el escritor venezolano Arturo Uslar Pietri expresara: “…Es menester sacar la mayor renta de las minas para invertirla totalmente en ayudas, facilidades y estímulos a la agricultura, la cría y las industrias nacionales, es decir, sembrar el petróleo”. ¿Cuánto tiempo debemos esperar para tener el fruto de esa cosecha?

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30

Interesante

En poco más de un siglo, la producción de petróleo a partir de las reservas 25 actuales podría llegar a ser tan baja como lo era a principios del siglo XX. En esa época el petróleo era empleado solamente como combustible para la iluminación, pues servía como sustituto 20 del muy escaso aceite de ballena.

Producción mundial

Fuente:http://www.almc.army.mil Mundial sin Golfo Pérsico

15

10 Golfo Pérsico

5

Estados Unidos y Canadá Bloque soviético Mar del Norte

0 1930

1940

1950

1960

1970

1980

1990

2000

2010

2020

2030

2040

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Constitución química del petróleo La composición elemental, aproximada, del petróleo, es de 84 a 87 % de carbono, alrededor de 11 a 14 % de hidrógeno, con más o menos de 0 a 2,5 % de azufre y de 0 a 0,2 % de nitrógeno. Estos últimos elementos, junto con oxígeno y algunos metales (como vanadio, níquel, sodio, arsénico y otros) son considerados como impurezas en el crudo.

Azufre

Otros

Hidrógeno

Composición orgánica

Carbono

Los crudos están constituidos fundamentalmente por una mezcla de hidrocarburos. Por ello, dependiendo del número de átomos de carbono y de la estructura de los mismos, presentarán diferentes propiedades que determinen su comportamiento como combustibles, lubricantes, ceras o solventes. Si las cadenas de carbono están asociadas al hidrógeno sin ramificación, constituyen las llamadas parafinas; si son ramificadas se tienen las isoparafinas; si se presentan dobles enlaces entre los átomos de carbono se logran las olefinas; la conformación de ciclos de carbono implica los naftenos y cuando estos ciclos presentan enlaces dobles alternos, similares al anillo bencénico, se tiene la familia de los aromáticos.

253

Parafinas normales H

H H

Aromáticos

H H H

H H H H

H C

H H H H H

H C H

H C C H

H C C C H

H C C C C H

H C C C C C H

H

H H

H H H

H H H H

H H H H H

Metano

Etano

Propano

Butano

HC

HC

CH3

CH C H

Pentano

CH3 CH3

CH

Benceno

Tolueno

Ortoxileno

Isoparafinas CH3

H3C

H3C C CH3

H3C C

H

H

Isobutano

H C CH3

H3C C CH3

H

H

H2C CH2

H3C C CH2

Etileno

Propileno

H3C

C CH2

H Butileno

CH3

H3C C H2C

CH2

CH2 C H2

Ciclohexano

H3C C

H C CH2

H2C

H Isoamileno

H

H

C

C CH2

1, 3 butadeno

CH3

CH2

H2C

Bifenilo

3 metil, 1 buteno

H

Naftenos H2C

Isooctano

2–Buteno H3C C

H2C

CH2

1,1 dimetilciclopentano

H2C

H2C

Antraceno

H3C H CH3

Neopentano

H

Naftaleno

H3C C C C CH3

CH3

Isopentano

Olefinas

H2 C

H3C H H

H3C

C H

H2 C

CH3 CH H2C

H C

CH2

CH3

Ciclohexano

H2 C CH2

CH

H2C

Al aumentar la masa molecular de los hidrocarburos, las estructuras se vuelven verdaderamente complejas y difíciles de identificar químicamente con precisión, por ejemplo, los asfaltenos, que son sustancias que forman parte del residuo de la destilación al vacío.

CH2

CH C H2

Fenantreno

C H2

Decahidronaftaleno

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Tipos de petróleo Una clasificación del petróleo depende del constituyente que se halle en mayor proporción. Por ejemplo, los crudos parafínicos tienen mayoritariamente parafinas y ceras naturales, tal como algunos de los extraídos en Estados Unidos y Libia. Los crudos nafténicos están representados por los naftenos y son algunos de los crudos presentes en nuestro país. Los crudos aromáticos poseen principalmente hidrocarburos aromáticos, predominantes en Borneo. Los crudos sulfurosos que contienen mercaptanos formados por la fijación de azufre sobre un hidrocarburo, con desprendimiento de sulfuro de hidrógeno, son característicos del Medio Oriente. También están los crudos bituminosos, cuyo contenido en azufre es muy bajo y los crudos contaminados por ácidos, metales, sales, agua salada, etc.

Venezuela cuenta con una gran reserva de petróleo pesado y ultra pesado en la llamada Faja Petrolífera del Orinoco, la cual está siendo aprovechada por diversas compañías.

¿Cómo se comporta el petróleo? 254

Una de las propiedades fisicoquímicas más importantes es la viscosidad: la medida de la resistencia que ofrece un líquido a moverse (a fluir) y su unidad de medición común es el poise (P). Cuando las variaciones de la viscosidad son pequeñas, su valor se expresa en centipoise. A medida que los crudos son más densos y pesados son más viscosos. Como la viscosidad depende de la temperatura, se puede disminuir mediante calentamiento u otros procesos generalmente conocidos como viscorreducción. La densidad relativa expresa la densidad de una sustancia con respecto al agua. La mayoría de los crudos tienen densidades menores al agua, o sea que flotan en ella. En la industria petrolera es común expresar la densidad relativa de un crudo por su gravedad específica en grados API o gravedad API (°API). Esta unidad fue creada por el American Petroleum Institute. En la escala API el agua tiene 10 ºAPI, un crudo menos denso que el agua tiene más de 10 ºAPI y uno con densidad mayor que el agua tiene menos de 10 ºAPI. La gravedad API indicará si se trata de hidrocarburos condensados (42,0 ºAPI en adelante), livianos (30,0 a 41,9 ºAPI), medianos (22,0 a 29,9 ºAPI), pesados (10,0 a 21,9 ºAPI) y extrapesados (8,3 a 9,9 ºAPI). Sobre el bitumen no hay un consenso, ya que aún se discute si se trata de petróleo extrapesado o bituminoso. Mientras más liviano es un crudo y más alta es su gravedad API, mejor es su calidad y mayor es su precio. En nuestro país el 69 % de las reservas probadas de hidrocarburos la conforman los crudos pesados y extrapesados (ubicados principalmente en la Faja del Orinoco).

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El petróleo tal como se bombea desde el subsuelo se conoce como petróleo crudo o simplemente crudo. Este líquido con olor desagradable, cuyo color va desde el amarillo hasta el negro, puede ser tan fluido como el agua o tan espeso como la brea, aunque la mayoría de los crudos son líquidos que contienen gases y sólidos disueltos.

Livianos

Gasolina PROCESOS ADICIONALES

El crudo no es sólo líquido

Torre de fraccionamiento

Jet fuel y querosene

Diesel para calefacción

Comercialmente, el término petróleo crudo se refiere fundamentalmente a los hidrocarburos líquidos; a los gaseosos se les denomina gas natural y los sólidos reciben el nombre de asfalto (bitumen o betumen) o cera (parafina). A los crudos que contienen una mezcla de ambos se les conoce como de base mixta. Las propiedades de los crudos marcarán su patrón de comercialización, es decir, evidentemente no todos tienen el mismo valor de venta. Así, generalmente, los crudos más livianos suelen ser más apreciados y costosos que los más pesados, ya que de su refinación se puede obtener una gran cantidad y variedad de productos de alta calidad, como combustibles y lubricantes.

Procesos involucrados en la actividad petrolera

Fuel oil industrial

Ceras Petróleo crudo Aceites y lubricantes

Grasas Pesados

255 Coque

En la industria petrolera, en general, se realizan cuatro grandes procesos: exploración, producción, refinación y, finalmente, comercio y suministro. Estos últimos son fundamentalmente del área económica y no serán de interés en este capítulo.

Asfaltos

Emisor de onda de choque

Exploración Para encontrar zonas con petróleo se realizan estudios en la superficie tales como: geología de campo y topografía del terreno. Luego, si hay indicios de un reservorio de hidrocarburos, se realizan análisis geofísicos mediante métodos magnéticos, gravimétricos y sísmicos. Esas zonas delimitadas que contienen reservas de petróleo son llamadas yacimientos. Se encuentran generalmente en terrenos pertenecientes a épocas que se extienden desde la era primaria (Cámbrico hace 500 millones de años) hasta la terciaria (Mioceno más joven hace 7 millones de años). En los yacimientos, el petróleo comúnmente se encuentra confinado en el subsuelo dentro de capas porosas (arenas) acompañado con otros fluidos como agua y gas. Las rocas en estas zonas son llamadas rocas almacén y su característica más importante es su porosidad y permeabilidad. Para que haya más acumulación petrolífera es necesario que ocurra lo que en términos geológicos se denomina un entrampamiento o formación de una trampa, que sea capaz de detener la migración del crudo.

Receptor de señales

Las ondas rebotan en los cambios de perfiles del suelo

Niña con zarcillo de perlas. Jan Vermeer (1632-1675).

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Producción La producción comprende, al menos, tres fases: la perforación del pozo, la producción y la explotación. La perforación consiste en atravesar la roca para extraer el petróleo del subsuelo. El método de perforación rotatorio es el más usado en la actualidad y consiste en bajar una barrena por medio de tubos y hacer girar la tubería para penetrar la roca. Hoy día se han desarrollado nuevas técnicas para adaptar los equipos de perforación a cada situación particular, lo cual depende del lugar donde se llevará a cabo la operación de producción, es decir, si será en zonas terrestres, aguas profundas o áreas pantanosas. Una vez perforado el pozo se procede a instalar en tres etapas el equipo de producción: primero se pone en contacto la arena productora con el pozo propiamente dicho llamado cañoneo, en segundo lugar se realiza una prueba de evaluación de la arena productora y, por último, se efectúa la complementación del pozo.

Pozo en el estado Monagas.

256

Refinería de Puerto La Cruz, estado Anzoátegui.

Otros métodos de producción son el flujo natural, el levantamiento artificial por gas y el levantamiento artificial por bombeo mecánico. En el flujo natural se aprovecha la presión del yacimiento la cual es capaz de hacer fluir el crudo del pozo. Cuando la producción por flujo natural no es rentable se usan otros métodos como, por ejemplo, el del levantamiento artificial por gas que consiste en inyectar gas a alta presión en el espacio entre la tubería y el revestidor de producción, o el método de levantamiento artificial por bombeo mecánico que utiliza la unidad llamada balancín. La explotación de un pozo es el último paso que se realiza para la recuperación exhaustiva del crudo, añadiendo fluidos como agua, gas o aire. Los crudos, tal como son extraídos en los campos de producción no pueden satisfacer los estándares de calidad y variedad de productos de los hidrocarburos. Debido a las diferencias en las propiedades de sus constituyentes, el crudo es susceptible de separarse en diferentes fracciones, cada una con características definidas. De aquí surge la refinación, conjunto de procedimientos y operaciones que permite elaborar derivados de mayor valor económico a partir del material crudo.

Refinación Los procesos de refinación pueden clasificarse en: procesos de separación, donde se aprovechan las propiedades fisicoquímicas de las materias primas para separarlas en diferentes fracciones sin producir cambios en la estructura química original del compuesto, y procesos de conversión, donde se realizan cambios en la estructura química de los componentes para luego efectuar un proceso de separación a fin de obtener las fracciones de los “nuevos” componentes. Algunos procesos típicos en una refinería son: destilación de crudos, de desintegración catalítica, reformación de naftas, reducción de viscosidad de residuales, alquilación, hidrotratamiento y refinación con solventes.

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El viaje del petróleo El petróleo crudo se transporta hasta las refinerías por tubería, tren, camión tanque, barcaza o buque tanque. Los oleoductos son las tuberías por donde se traslada el petróleo y sus derivados y los gasductos o gasoductos las tuberías por donde se traslada el gas natural, bien sea como gas asociado (producido conjuntamente con el petróleo) o como gas libre (producido por pozos exclusivamente gasíferos).

Barril de petróleo La producción anual de petróleo se expresa en toneladas métricas y la diaria en miles o millones de barriles. El petróleo tradicionalmente se comercializa en una unidad de medida volumétrica muy particular, el barril, cuyo contenido es de 42 galones, es decir, 159 litros. También se emplea como unidad el metro cúbico (un cubo que tiene un metro de arista) que equivale a mil litros. Por lo tanto, en 1 metro cúbico (m3) hay 6,3 barriles.

159L

159L

159L

159L

El mundo de la química

Capítulo X. Petróleo: Química e industria Octanaje de la gasolina Los “combustibles” derivados del petróleo tienen propiedades que les son características. Una de éstas es el octanaje: porcentaje de isooctano en la mezcla de hidrocarburos que constituyen la gasolina y es una referencia de la fuerza con la que arde la gasolina y cuántas detonaciones produce en el motor. La escala de octanaje le confiere el valor de 100 al isooctano puro y el valor de cero al heptano, debido a que los hidrocarburos ramificados producen mejor detonación que los de cadena lineal. En Venezuela, actualmente se producen dos tipos de gasolina para autos: con plomo de 91 octanos o sin plomo de 95.

Fascículo 33


Destilación En la destilación, la mezcla de hidrocarburos se calienta, en las condiciones de trabajo, hasta la evaporación de sus componentes volátiles. Las moléculas más pequeñas se evaporan primero y ascienden por la columna de destilación. Las fracciones que contienen las moléculas intermedias hierven a unas temperaturas más elevadas y las moléculas grandes permanecen en estado líquido durante el proceso. Estos líquidos, muy espesos o viscosos llamados residuos, escurren hasta la base de la columna. Cuando se realizan múltiples destilaciones en una columna de fraccionamiento, se logran fraccionar los distintos componentes de la mezcla de hidrocarburos debido a sus diferentes puntos de A continuación se muestran los usos más frecuentes de los hidrocarburos según su cantidad de átomos de carbono. Nº atomos de C

258

1a4

Combustible y materia prima para industria del plástico, aditivos para gasolina.

5 a 12

Combustible de motores, solventes industriales.

12 a 16

Combustible para lámparas, estufas, tractores; materia prima para la desintegración.

15 a 18

Materia prima para la desintegración y para aceites industriales de calefacción; combustible diesel.

16 a 20

Lubricantes.

Más de 20 No se evaporan a 370 °C. Contienen parafina, ceras, asfalto y coque. Pueden separarse mucho más para obtener diversos materiales.

La desintegración catalítica se realiza en una columna de fraccionamiento. El proceso de desintegración llamado “cracking” o craqueo y también pirólisis, transforma moléculas grandes de hidrocarburos en otras más pequeñas según la fracción deseada. El hidrotratamiento se refiere a una gama de procesos catalíticos mediante el empleo de hidrógeno, para “saturar” los alquenos o alquinos o para remover heteroátomos y/o metales de las diferentes fracciones de petróleo. De manera más simple, lo que se persigue con este proceso es la conversión de petróleo en fracciones pesadas a livianas, aumentando la relación hidrógeno/carbono y eliminando las impurezas. Algunos métodos específicos son la hidrogenación (HYD), la hidrodesnitrogenación (HDN), la hidrodesulfuración (HDS) y la hidrodesmetalización (HDM). Todos los tratamientos antes mencionados se realizan en presencia de catalizadores específicos. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo X. Petróleo: Química e industria • fascículo 33


Intevep Ante la necesidad de mantener la competitividad y calidad de la industria petrolera, luego de su nacionalización, así como para independizarnos de la recurrencia a las compañías trasnacionales para buscar soluciones a los problemas específicos de nuestro tipo de crudos, en 1976 se creó el Instituto Venezolano del Petroleo S.A. (Intevep) como filial de PDVSA. Su objetivo: “efectuar los estudios e investigaciones necesarios para garantizar el alto nivel de los productos y procesos dentro de la industria petrolera”. A los casi 30 años de su fundación, los frutos de haber entrenado y utilizado personal multidisciplinario del más alto nivel en la resolución de los problemas de nuestra industria son muchos y de diversa índole, incluyendo la creación de dos novedosos combustibles, catalizadores más eficientes que los que existían en el mercado, mejoras ambientales significativas en los procesos de producción, recuperación y tratamiento de petróleo, etc.

Orimulsión® Una de las características que tiene gran parte de nuestras reservas petroleras es la de ser, en un porcentaje cada vez mayor, crudos pesados, extrapesados e, incluso, del tipo bituminoso. Los depósitos de crudo de la llamada Faja del Orinoco son, en su mayoría, un buen ejemplo de esta condición. Si tomamos en cuenta la magnitud de este tipo de reserva y la dificultad y costo de manipulación, no cabe duda de que se hacía necesario encontrar soluciones no convencionales para su extracción, transporte, conversión, tratamiento y comercialización. Esta necesidad fue el motivo de numerosas investigaciones tanto en Intevep como en laboratorios universitarios de investigación, a fin de crear una “emulsión combustible” que pudiera ser transportada con facilidad y que fuera comercialmente atractiva, tanto desde el punto de vista de su costo de producción como ambientalmente permisible. Entre estos estudios son muy significativos los realizados en 1978 por el químico Ignacio Layrisse de Intevep y su grupo de investigación, en colaboración con el Laboratorio de Emulsiones de la Universidad de Los Andes (ULA). De los resultados de estos primeros estudios y de un esfuerzo sistemático de muchas personas durante varios años, se logró obtener un combustible cuyas características de poder calorífico, estabilidad, baja viscosidad y poca contaminación resultaron en el producto comercial que llamamos Orimulsión. Para su comercialización se constituyó la empresa Bitúmenes Orinoco, S.A. (BITOR), filial de Pdvsa. Desde ese momento el nuevo producto comenzó a penetrar con éxito los mercados internacionales. Orimulsión® resulta de combinar 70 % de hidrocarburo pesado o extrapesado y 30 % de agua con una mezcla especial de surfactantes. Se considera un combustible no convencional, altamente energético y no explosivo. Es producto de la tecnología de emulsiones ya que forma una suspensión estable en agua. El tamaño medio de la gota del combustible es de 17,0 mm. Todo el proceso fisicoquímico puede ser descrito como la suspensión de partículas muy pequeñas en agua, que es casi como decir que el crudo se “pulveriza” en la solución.

259

13 % agua

2 % aditivos

85 % diesel

Interesante El Aquadiesel®, un novedoso combustible formulado por Pdvsa a través de su centro de investigación Intevep, es producto de una microemulsión de agua, aditivos y de diesel. Su ventaja es la de reducir la emisión de las partículas pesadas (desechos de la combustión incompleta de los hidrocarburos, llamados particulados) y de otros agentes nocivos como los óxidos de nitrógeno (NOx) que son comúnmente liberados al ambiente. Está demostrado el beneficio para el ambiente de este nuevo combustible, ya que permite una reducción efectiva en la emisión de particulados de hasta 50 % y una reducción de los óxidos de nitrógeno de hasta 27 %, respecto al combustible diesel.

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Petróleo + química = Petroquímica Antiguamente la mayoría de los objetos empleados por la humanidad se creaba a partir de materiales “hallados” en la naturaleza. La ropa, por ejemplo, se hacía a partir de fibras como el algodón, la lana, el lino y la seda; los medicamentos y aditivos para alimentos provenían de fuentes naturales; los objetos de uso cotidiano se elaboraban a partir de materiales como madera o piedra, o con metales, vidrios y arcillas, y los únicos plásticos eran los que tenían como base madera (celuloide) y materiales de origen animal (goma laca).

Complejo petroquímico.

260

Ahora bien, desde el comienzo de la era industrial y gracias al desarrollo en el siglo pasado de la química moderna y de la ingeniería, el número de productos y materiales sintetizados “artificialmente” a partir de otros más simples, se acerca cada vez más a casi una totalidad. Entre estos productos, aquellos derivados del gas natural o de moléculas provenientes del tratamiento de crudos representan un porcentaje bien apreciable de la industria química global. A esta industria se le conoce como petroquímica y sus productos abarcan casi todos los ámbitos de la industria química: tradicional, farmacológica, de fertilizantes, de explosivos y de materiales, entre otros. La industria petroquímica está presente en el mundo desde 1920 y la encontramos en la fabricación de cepillos de dientes, jabones y cosméticos, en las fibras textiles y en las suelas de los zapatos, en la producción de alimentos, en los envases y vajillas plásticas, en los cauchos del automóvil, en las pinturas, en las bolsas de basura, en los empaques plásticos, tubos, alfombras, juguetes y muchos más.

Planta de olefinas. El Tablazo, estado Zulia.

Actualmente, el gas natural se utiliza cada vez más como materia prima de los principales productos petroquímicos, ya que su procesamiento resulta más económico que el del petróleo y su impacto sobre el ambiente es menor. ¡Y pensar que al principio el gas natural se quemaba pues era un desecho en la industria!

Pequiven es una empresa filial de Petróleos de Venezuela, heredera del Instituto Venezolano de Petroquímica, cuyo origen se remonta al año 1953; produce y comercializa productos petroquímicos en los mercados venezolano e internacional. Opera tres complejos petroquímicos: El Tablazo, en el estado Zulia; Morón, en el estado Carabobo, y José Antonio Anzoátegui, en el estado homónimo. Complejo Petroquímico de Jose. Estado Anzoátegui.

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Productos petroquímicos Productos de (del)

Usos

Gas (subproductos)

Fertilizantes, amoníaco y ácido sulfúrico.

Gas

Combustibles varios y gas licuado de petróleo (GLP).

Destilados ligeros

Gasolinas varias, naftas (cualquier producto tipo aceite ligero con propiedades intermedias entre la gasolina y el querosene, disolventes ) y querosene, entre otras sustancias.

Destilados intermedios Gasoil, aceite pesado de horno y aceite, combustible diesel. Destilados pesados

Aceite lubricante, grasa, aceites pesados, parafina y material para craqueo.

Residuales

Aceite lubricante, combustóleo, petrolato, asfalto, coque de petróleo.

A partir de derivados del gas y de destilados ligeros, intermedios y pesados, se fabrica un enorme grupo de productos petroquímicos entre los cuales se pueden mencionar: plásticos y hules artificiales para ropa, cauchos, cemento y aislantes eléctricos; fibras y películas para telas, ropa, cuero artificial, aislantes y materiales de construcción; formas rígidas y flexibles para juguetes, utensilios de cocina, muebles y partes para automóviles y máquinas; alcoholes para disolventes; otros productos químicos tales como astringentes, saborizantes y cosméticos; medicamentos como aspirina®, sulfas y antisépticos; edulcorantes como sacarina®, aspartame®, sorbitol®; perfumes; colorantes y explosivos.

Los polímeros

261

Toda la materia viviente contiene polímeros: las proteínas, los carbohidratos, la madera y la goma natural. Sin embargo, ahora es posible elaborar una vasta gama de polímeros sintéticos cuyas propiedades satisfacen necesidades específicas. Los polímeros son macromoléculas que se conforman por la repetición de unidades más pequeñas llamadas monómeros. Los homopolímeros contienen solamente un tipo de monómero mientras que los copolímeros están constituidos por dos o más monómeros diferentes. Este fenómeno se llama polimerización. La naturaleza de los grupos que forman un polímero determinan sus características. Los polímeros naturales los hay en todas partes; de hecho, muchos de ellos se forman en los árboles: “la savia” obtenida de ciertos árboles constituye la materia prima para las primeras industrias de polímeros, es decir, la producción de “caucho” natural o látex conocido por los químicos como polisopreno (C5H8)n, un polímero formado por entre 1 000 y 5 000 monómeros.

Corte en el tronco de un árbol para la obtención de la savia.

La celulosa es otro importante polímero natural que proviene de los árboles; se basa en un monómero de glucosa, un azúcar simple que producen las plantas durante la fotosíntesis. La celulosa es el polímero que constituye el principal material estructural de las plantas; es una de las sustancias orgánicas más abundantes en la tierra.

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Características de un polímero Busca en tu casa tres objetos de plástico: una botella, la tapa de un envase y un disco compacto. Intenta transformarlos con tus manos. ¿Lo lograste? Esta propiedad se conoce como resistencia mecánica de los polímeros. La resistencia mecánica se manifiesta de diferentes formas: tensión, estiramiento sin ruptura, resistencia a la compresión, resistencia a la flexión y resistencia al impacto. Otra propiedad es la elasticidad: los polímeros elásticos se conocen como elastómeros; son capaces de recuperar su forma original después de haber sido estirados. Se usan en cauchos, guantes y mangueras. La resistencia al calor es la propiedad que tienen los polímeros de moldearse en caliente y endurecerse en frío.

Cuencas petrolíferas e industria petrolera y petroquímica en Venezuela

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Venezuela cuenta con varias cuencas petrolíferas, siendo las principales la de MaracaiboFalcón, la Oriental, la Tuy-Cariaco, la Barinas-Apure y la Faja Petrolífera del Orinoco. Cuenca Maracaibo-Falcón. Cuenta con una superficie de 67 000 km2. Es la más importante en la producción nacional de petróleo, con el 76,6 %. En esta cuenca los campos petroleros más importantes son: La Rosa, Tía Juana, Lagunillas, Bachaquero, La Paz, Mara, Concepción, Boscán, Mene Grande, Motatán, Los Manueles, El Cubo, etc. Cuenca Oriental. Es la más extensa, con más de 150 000 km2. Es la segunda en importancia por su producción y reservas, ya que produce más de 1/5 de la producción nacional. Los campos petroleros de esta cuenca son: Quiriquire, Jusepín, Tucupita, Temblador, Tucupido, Las Mercedes y Área de Oficina. Cuenca Tuy-Cariaco. Está situada al norte de la Cuenca Oriental de Venezuela. Tiene una superficie aprox. de 18.000 km2; se extiende desde Barlovento hasta el Golfo de Cariaco. Cuenca Apure-Barinas. Su extensión se estima en unos 87 000 km2. Está integrada por los estados Apure, Barinas y Portuguesa. Faja Petrolífera del Orinoco. Está comprendida entre el norte del río Orinoco y las zonas meridionales de Anzoátegui, Monagas y Delta Amacuro. Tiene una extensión aprox. de 650 Elkm. mundo la química • Capítulo Química e industria • fascículo de estede a oeste y unos 70 km. de norteX.a Petróleo: sur, lo que suma una superficie de 45 000 km2.

33


Plásticos Los plásticos son fundamentalmente polímeros orgánicos de alto peso molecular. Poseen una amplia gama de propiedades físicas. Algunos, como la baquelita, son duros, no se funden; otros, como el polietileno, pueden presentarse en la forma de películas flexibles. Las propiedades físicas de los plásticos dependen de la estructura molecular de las cadenas poliméricas y de la naturaleza de las fuerzas moleculares que las mantienen unidas. Los termoplásticos, como el polietileno, poliestireno, el cloruro de polivinilo y el nylon, que se funden al ser calentados, están formados por largas cadenas de monómeros unidas por enlaces covalentes y fuerzas residuales electrostáticas que incluyen dipolos, dipolos inducidos y puentes de hidrógeno. Estas fuerzas de atracción pueden ser vencidas con relativa facilidad al aplicarles calor, por lo que los polímeros termoplásticos se estiran, se doblan fácilmente y se descomponen a bajas temperaturas. Al contrario, las cadenas de polímeros termosetting presentan fuertes enlaces covalentes que dan lugar a la formación de redes tridimensionales que los ponen rígidos.

Tipos de plástico Nombre Polietilenterftalato

Polietileno de alta densidad

Unidad monomérica

Siglas

Etilen glicol PET (C2H6O2) (PETE) Ácido tereftálico (C6H6)(COOH)2

:[–CH2–CH2]n

263 Símbolo de reciclado

1

PEAD

2

Usos Es transparente, muy resistente, no se estira y no es afectado por ácidos ni gases atmosféricos. Su principal uso es en la fabricación de botellas plásticas transparentes como las utilizadas para agua mineral, refrescos, biberones, etc.

Es flexible debido a las numerosas ramificaciones que tiene en la cadena polimérica. Se emplea para hacer recipientes moldeados por soplado, como las botellas y las tuberías plásticas que deben ser flexibles, fuertes y resistentes a la corrosión. El polietileno en fibras muy finas, en forma de red, sirve para hacer cubiertas de libros y carpetas, tapices para muros, etiquetas y batas plásticas.

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Tipos de plástico Nombre Cloruro de polivinilo

Unidad monomérica

Siglas

(CH2CHCl)n

PVC

Símbolo de reciclado

3

Usos El cloruro de vinilo –cloro eteno– (CH2CHCl)n se polimeriza para obtener cloruro de polivinilo. Sus principales características son la resistencia al fuego y al agua. Hay dos tipos de cloruro de polivinilo, el flexible y el rígido. Ambos tienen alta resistencia a la abrasión y a los productos químicos. El PVC flexible se destina a hacer manteles, cortinas para baño, muebles, aislantes de cables eléctricos, discos, ropa impermeable, etc. El PVC rígido se usa en la fabricación de tuberías para riego, uniones, techado y botellas.

Polietileno de Baja Densidad

:[–CH2–CH2]n

PEBD

4

Polipropileno

–CH2–CH2–CH3n PP

5

Poliestireno

CH2=CH(C6H5)

PS

6

Con el PEBD se fabrican bolsas transparentes para resguardar alimentos. Muchas poseen un cierre "hermético" en su parte superior que hace posible almacenar líquido. Son reciclables.

Posee alta cristalinidad, resistencia térmica y eléctrica además de una baja absorción de humedad. Tiene la propiedad de cumplir, a la vez, la función de plástico y de fibra. Con él se resolvió el problema que representaba el uso de metales como el hierro y el cobre en instalaciones de tuberías. Es frecuentemente usado para fabricar telas destinadas para tapizar muebles del hogar u oficinas, ya que retarda el fuego y los vapores que emanan durante la combustión no son tóxicos. Conserva la temperatura y es un aislante acústico, por lo que se usa en las salas de grabación.

Es el tercer termoplástico de mayor uso debido a sus propiedades y a la facilidad de su fabricación. Posee baja densidad, estabilidad térmica y bajo costo. Su mayor desventaja: es quebradizo, lo que se mejora copolimerizando con acrilonitrilo. El poliestireno de medio impacto lo encontramos en vasos, cubiertos y platos desechables. Los radios y televisores son hechos en poliestireno de alto impacto. También lo encontramos en envases térmicos como poliestireno expandible.

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¿Sabías que la madera puede ser plástica? La madera “plástica” es producto del reciclaje de polietileno de baja y alta densidad, así como de otros polímeros con trazas de metales. Posee las características de la madera en cuanto a que puede ser serruchada, taladrada y se trabaja con las mismas herramientas que la natural. Tiene aplicación en los exteriores de las casas o construcciones y es impermeable y reciclable. Su importancia radica en que es ecológica porque colabora con la preservación de los recursos naturales. La compañía www.singaporeemarketplace.com ofrece una venta de este tipo de madera con el eslogan “Salve nuestros árboles, use Plastiwood®”.

El mundo de la química

Capítulo X. Petróleo: Química e industria Un poco de historia En los años cincuenta, el químico alemán Kart Ziegler (1889-1973) descubrió que se podía polimerizar eteno en condiciones moderadas de presión y temperatura en presencia de un catalizador: tetracloruro de titanio activado con cloruro de alquilaluminio. Luego, el ingeniero italiano Giulio Natta (1903-1979) polimerizó propeno en las mismas condiciones y obtuvo una mezcla de polipropileno. El catalizador usado por ambos se conoce como ZieglerNatta. Por sus aportes al estudio de las macromoléculas se les otorgó, en el año 1963, el Premio Nobel de Química.

Fascículo 34


Vulcanización: El hule sintético

El proceso de vulcanización es utilizado para aumentar el punto de fusión del caucho y hacerlo suficientemente duro como para ser usado en la fabricación de cauchos para automóviles y otros productos. Durante la vulcanización las cadenas de unidades de poliisopreno se unen entre sí con enlaces sulfuro llamados puentes de azufre, como se ve en la figura. Esto los hace térmicamente más estables, pero los transforma en un material rígido que una vez moldeado no puede cambiar de forma.

Hule natural

S

Hule solidificado

Hule natural

La principal aplicación del hule sintético es en neumáticos. El de origen natural, sin azufre, no es apropiado para aplicaciones que requieran de fuerza o durabilidad.

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OM O SU PUEST S LFúRICO

C

Charles Goodyear, en 1839, produjo por accidente hule sintético mediante un proceso que se conoce actualmente como vulcanización. El mismo consiste en la polimerización de ciertos alquenos en presencia de azufre e involucra el ordenamiento de las cadenas poliméricas de manera especial debido a la posibilidad de formar enlaces sulfuro entre ellas.

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Hule vulcanizado

¿Sabías que…? No todos los materiales de plástico para recubrir o envolver alimentos pueden ser usados para calentar comida en el microondas. Uno de ellos es el PVC. Su monómero ClHC = CH2 (cloruro de vinilo) es cancerígeno y durante la polimerización del PVC queda ocluido en la red del polímero. Esto hace posible que durante la cocción de productos en esos recipientes la sustancia contamine el alimento. Es importante que se utilicen sólo envases diseñados para ser usados en ese tipo de hornos. Los materiales de uso común tienen escritas las siglas internacionales que identifican el tipo de polímero con el cual están hechos.

Interesante Las bolsas fabricadas para contener sangre son hechas con PVC grado médico. Este material permite que el 80 % de los glóbulos rojos de la sangre sobrevivan. El empaque viene con tubos, jeringas y un líquido anticoagulante cuya composición permite que la sangre se mantenga en buenas condiciones. Están confeccionadas para contener de 430 a 450 ml de sangre, que es lo que se conoce como una unidad de sangre.

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Otros polímeros Poliamidas Son polímeros conformados por monómeros que contienen el grupo amida. Algunos son sintéticos, como el nylon-6 que se obtiene por la polimerización de e-caprolactama.

Tejidos sintéticos A partir de la celulosa de la madera es posible obtener fibras para telas como el perlón y el rayón, imitaciones de lana y seda, respectivamente. Seguramente te has preguntado de qué están hechas las telas que no se “arrugan”; pues lo están de un polímero conocido como polialgodón al que se le ha añadido formaldehído. Si bien es de uso frecuente para fabricar ropa, tiene la desventaja de no permitir la transpiración corporal y puede causar, en algunas personas, alergias y dermatitis.

Dupont introdujo el nylon en la Feria Mundial de Nueva York en el año 1939, y las medias realizadas con ese material se han transformado en ícono de la coquetería femenina hasta hoy.

Estructura del nylon-6

O C N

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H

Aramidas Las aramidas son poliamidas similares a uno de los tipos de nylon. Ejemplos comerciales de estos polímeros son el Nomex y el Kevlar. Mezclas de estos dos productos se utilizan para hacer ropa antillamas. El Nomex es un tipo de polímero que se usa para protegernos contra las llamas ya que no se inflama fácilmente. Por esta razón es ampliamente utilizado en los trajes de los conductores profesionales de automóviles de carrera. Las mezclas de Nomex-Kevlar también protegen a los bomberos. El chaleco antibalas es una pieza de uso fundamental para aquellas personas que poseen trabajos riesgosos como policías y militares. En sus inicios estuvo confeccionado a partir de un material conocido como Kevlar, descubierto en 1971 por Stephanie Kwolek. El peso de esta fibra es 5 veces menor a su equivalente en acero. La protección se fundamenta en el principio de que toda bala o proyectil hace daño no sólo por su forma y por el material del que está hecho, sino por la energía que le imprime la detonación del cartucho. La energía cinética puede ser dispersada cuando el proyectil choca con la fibra de Kevlar, sin que penetre o trasponga esta barrera. En la actualidad el polietileno de ultra alta masa molar (UHMWPE) ha sustituido las fibras de Kevlar en la fabricación de chalecos antibalas. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo X. Petróleo: Química e industria • fascículo 34


Interesante ¡Música maestro! Antes del advenimiento de las grabaciones, para escuchar música se debía acudir a lugares dispuestos para tal fin, a menos que algún miembro de la familia interpretara un instrumento musical. Thomas A. Edison fue el inventor del fonógrafo, primer aparato usado para grabar sonidos sobre un cilindro de cera, el que fue posteriormente sustituido por un disco. Luego, en los años veinte, se inventó la primera banda magnética, y después de la Segunda Guerra Mundial los discos de acetato, los cuales fueron usados hasta mediados de los años noventa. En la actualidad, el mayor avance en la era de la tecnología audiodigital es el disco compacto o CD. El CD original está hecho de un material metálico reflexivo, que contiene la información, ubicado entre dos láminas de policarbonatos. CD Superficie y etiqueta

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Para leer los datos en el disco, la luz del láser brilla a través del policarbonato e impacta sobre la capa de los datos. De esta manera, las propiedades de reflexión de la luz láser que inciden en la capa de datos son digitalizadas (0 o 1) y pasadas a su procesamiento.

Capa de datos Policarbonato

Recepción de luz láser

Emisión de luz láser

Los bebés se mantienen secos gracias a los poliacrilatos Los pañales desechables están hechos de varios tipos de polímeros, pero el responsable de la absorción de la humedad es el poliacrilato, un polímero hidrofílico que puede admitir agua hasta 800 veces su peso. Un pañal desechable está compuesto por diversas capas: la interna es de polipropileno; la central de poliacrilato combinado con celulosa distribuye el líquido por todas partes, y una capa externa de polietileno que retiene la humedad. Los derrames se evitan gracias a que el pañal dispone de unos puños elastificados de propileno hidrófobo. A pesar de las ventajas que presentan deben ser cambiados con frecuencia para evitar irritaciones en el bebé.

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El petróleo y el medioambiente Aunque el petróleo es un recurso natural, su relación con el medioambiente ha estado marcada por la alta contaminación que producen sus procesos o los accidentes que de ellos pueden derivarse. En sus orígenes, la industria petrolera era responsable de una contaminación ambiental considerable. Con los años, debido a la influencia de los avances tecnológicos y al establecimiento de leyes ambientales más estrictas, se ha ido reduciendo mucho el problema pero nunca podrá ser eliminado completamente. Accidentes como los vertidos residuales de las refinerías junto con las explosiones en los pozos, son cada vez menos frecuentes gracias a los desarrollos tecnológicos. Sin embargo, resulta más difícil controlarlos cuando ocurren en plataformas oceánicas; bien sea en las propias perforaciones o por los transportes petroleros, los cuales siguen siendo una fuente importante de vertidos accidentales. Esta imagen (falso color) muestra la contaminación en el Lago de Maracaibo (2003) detectada por un satélite de la NASA.

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El control sobre las emanaciones industriales es otra preocupación asociada con la actividad petrolera. Esta fuente de contaminación depende de la calidad del crudo, considerando las impurezas presentes en él como el azufre o el nitrógeno. Las leyes ambientales limitan la cantidad de óxidos de dichos elementos que pueden emitirse al ambiente. Por ello, la industria petroquímica ha prestado atención al gas natural ya que es mucho más limpio que el petróleo crudo. Una ventaja importante para su uso, por ejemplo, es que sea un gas a temperatura ambiente ya que así es menos probable que se contaminen ríos y océanos. Además, contiene menos compuestos de azufre y nitrógeno por lo que se quema de forma más limpia.

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Contaminación Según estimaciones de la NASA el volumen de los contaminantes vertidos al océano es de 3 175 millones de litros anuales, el cual destruye importantes ecosistemas del planeta. Los mayores “colaboradores” son los desechos de las ciudades y de las industrias que alcanzan 1 633 millones de litros, lo que representa un 51,4 %. Las operaciones de limpieza de embarcaciones de carga aportan 19,4 % del total. La cantidad transferida al agua de los océanos a través de la lluvia ácida debido a las emisiones a la atmósfera producto de los autos e industrias equivale a un 13,0 %. La industria petrolera contamina por diferentes fuentes: los derrames provocados por los accidentes de buques petroleros (5,2 % de vertidos al mar cada año) y por perforaciones de las plataformas marinas que representan un 2,1 %, son algunos de ellos.

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¿Sabías que...?

El Cristóforo Colombo echando 1 300 barriles de fuel-oil frente a las costas griegas. Escrito sobre la roca: "No contamines, sé humano" Fuente: Sakhalin Environment Watch, Sept. 2004.

Alrededor del 0,1 al 0,2 % de la producción mundial de petróleo, que equivale a unos tres millones de toneladas, se derrama en el mar cada año, provocando daños en el ecosistema marino. Entre las técnicas para limpiar los derrames petroleros podemos citar: cercado del vertido y recuperación del área utilizando sistemas de succión, centrifugación o empleando fibras absorbentes mediante la recolección; otra técnica es la de usar sustancias químicas que influyan en la solubilidad de los hidrocarburos en el agua para formar pequeñas gotas y poder recoger el vertido con rapidez a través de dispersantes. Otra más consiste, en tratar de quemar el derrame considerando que es una forma de eliminar el petróleo, con el inconveniente de producir una alta contaminación atmosférica por medio de la combustión. Y, finalmente, el proceso que utiliza microorganismos (bacterias y hongos) que consumen los hidrocarburos y los transforman en sustancias químicas menos perjudiciales por medio de un mecanismo de biodegradación.

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Desechos plásticos inundan la Tierra La contaminación de desechos plásticos y fibras sintéticas ha llegado a tal punto, que ni siquiera los océanos o las playas más remotas de nuestro planeta están a salvo de sus estragos. Efectivamente, según un estudio publicado en la revista Science, inclusive playas que podrían suponerse en estado virgen contienen desechos plásticos de tamaño microscópico mezclados con la arena y el lodo. "Si tomamos en cuenta la durabilidad del plástico y la naturaleza descartable de muchos artículos plásticos, lo más probable es que se incremente este tipo de contaminación", señaló el jefe del grupo de investigadores de la Universidad de Plymouth, Inglaterra, el profesor Richard Thompson . Y más importante aún es que se desconoce cuáles podrían ser los efectos a largo plazo de esta contaminación.

Reciclando plásticos El 90 % de los plásticos es reciclable y podemos encontrarlo en numerosas formas y presentaciones. Sin embargo, debido a su gran variedad, es difícil su clasificación. Es por esta razón que se han acordado símbolos para su identificación que ya se usan en nuestro país (ver fascículo 33). Cada día es más claro que es necesaria la recuperación de los restos plásticos por dos razones principales: la contaminación que provocan y el valor económico que representan. Son tres los métodos de reciclaje de plásticos más utilizados. Reutilización. Es aplicable a aquellos productos que tienen un valor en su forma y estado actual, tales como cajas de poliestireno expandido, cajas de transporte de botellas o frutas, bidones... En estos casos, un simple lavado y almacenamiento del producto limpio es suficiente para su recuperación. Las aguas de lavado se utilizan en las plantas de compostaje, papel u otras de recuperación dentro del mismo complejo.

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Método de la pirólisis para reciclar polímeros Pirólisis: es el craqueo de las moléculas por calentamiento en el vacío. Este proceso genera hidrocarburos líquidos o sólidos que pueden ser luego procesados en refinerías.

Reciclado por calidades. Se trata de separar los plásticos en función de su composición (polietilenos, PVC, PET, ABS...) y efectuar un lavado de los mismos. Para su venta, los plásticos limpios pueden ser comprimidos en balas como en el caso del papel o fundidos y convertidos en granzas para darles un valor añadido. Reciclado conjunto. Consiste en realizar una mezcla de la totalidad de los plásticos recolectados y, previa limpieza y trituración, moldearlos por extrusión obteniendo perfiles para su utilización como sustitutos de la madera o metales. Se puede fabricar madera plástica a partir del brik o plásticos de postconsumo. El nuevo material, la madera plástica reciclada, procede de la recolección selectiva municipal, y con él se fabrica desde mobiliario hasta elementos de decoración (ver página 265).

Quemadores Productos de la pirólisis

Gas para reciclar Horno

Propeno

Carbón Cenizas

Benceno Tolueno Ceras y alquitrán Columna de destilación

Aire comprimido Gas reciclado Columna de destilación

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Capítulo XI:

Energy ball. Escultura en Alemania. Arte kinético. Fuente: www.kugelbahn.ch


¿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. Los 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. Ahora 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. En la búsqueda y aprovechamiento de la energía, el hombre ha invertido una parte importante de su ingenio y de su propia energía. Lo 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; utilizó el poder de las aguas y los vientos, inventó máquinas y descubrió otras fuentes de energía. Puede decirse que el hombre siempre ha estado a la “caza” de energía. Y la ha encontrado.

El mundo de la química

La indispensable energía

Fascículo 35


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. Así se hace la materia perceptible a nuestros sentidos. La energía es otro asunto.

Para muchos de los implementos de seguridad que existen en los nuevos vehículos se modelan las diversas energías que ocurren en un evento determinado.

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Energía viene del griego ergon que significa acción. Es decir, tener el poder de actuar sobre algo, de producir un cambio. 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. 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. 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. 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. 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 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. 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). 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). Luego, la energía total (E) cumple E = U + EC + EP

Kinetic. Arte digital. Fuente: www.foreword.com

Así como la energía externa puede cambiar, también la energía interna puede hacerlo. Si colocamos este cuerpo en contacto con otro a menor temperatura, parte de su energía interna será transferida en forma de calor. La energía interna puede intercambiarse entre un sistema y el medio de dos formas diferentes: como calor (q) y como trabajo (w). 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). La variación de la energía interna del sistema (U) es igual a q + w.

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La energía del Universo se conserva En 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 ∆E = ∆U. Ahora 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 ∆EU = 0.

"La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma en otro tipo de energía". Albert Einstein. Según Einstein "la masa y la energía son intercambiables". Esto significa que la materia se puede transformar en energía (de hecho se la considera como energía condensada) y que ésta se puede convertir en materia. Todo ello implica que la cantidad total de energía en el Universo es constante.

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¿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. Lo hace en la forma de E = m0c2, donde c representa la velocidad de la luz en el vacío. 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. El conjunto de materiales que conforman un sistema determinado (las partículas atómicas y subatómicas) están en constante movimiento a temperaturas superiores a 0 °K. 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. Estos movimientos e interacciones contribuyen a la energía interna aunque en menor grado que la masa en reposo. 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 ∆U, pues éste requiere sólo manejer los valores de q y w que se determinan experimentalmente. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo XI. La indispensable energía • fascículo 35


Para pensar 1 kg de agua se evapora a 100 °C y a 1 atm absorbe una cantidad de energía en forma de calor igual a 2 253 kJ para romper las uniones entre las moléculas de agua. A su vez, el vapor de agua formado debe realizar un trabajo de expansión contra la atmósfera y en éste invierte 173 kJ. De acuerdo con lo anterior, la variación de energía interna (∆U) para el sistema es: 2 436 kJ 2 080 kJ La variación de energía del medio es: -2 080 kJ 2 080 kJ La variación de energía del Universo es: 0 4 160 kJ Calentamiento de agua en recipiente con termómetro.

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¿En qué sentido ocurren los cambios?

Entropy.

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. 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. 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. 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. 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. La conjunción de estas dos contribuciones, llamada energía libre de Gibbs, determinará finalmente el sentido de la espontaneidad para cualquier tipo de situación posible.

Irma M. Hinghofer-Szalkay. Fuente: www.ihs9art.com

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La entropía del Universo aumenta Sistema I

100 g de agua caliente

+

100 g de agua fría

Estado A Sistema II Agua coloreada

Estado A

200 g de agua tibia

Estado B

Tinta soluble en agua + agua

Estado B

Observa los dos estados diferentes para cada sistema. Utiliza 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. Si tienes dudas, consulta a tu profesor.

En 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. Por 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. Hay otros factores a considerar entre los cuales destacan, por ejemplo, la temperatura y el sentido del cambio entálpico. El 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. Finalmente, 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. Este hecho es conocido como el segundo principio o segunda ley de la termodinámica Todos sabemos que un clavo expuesto a la atmósfera se oxida. No ocurre lo contrario por sí solo: ¡del óxido no saldrá un clavo! Sin 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. Recuerda lo que ocurre en el proceso siderúrgico.

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El Sol, fuente primaria de energía Se cree que el Sol tiene entre 4 500 y 5 000 millones de años y es una estrella. Del Sol depende toda la vida terrestre. De 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. El 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. Ahora bien, toda esa energía que nos llega del “astro rey” se origina de algo tan micro como es el protón. Imagen del Sol tomada por un satélite de la NASA en febrero de 2000. Fuente: http://nssdc.gsfc.nasa.gov

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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. Todas 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. En 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. En 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.

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La 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. En 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. Esta energía mantendría encendido un bombillo de 1 000 vatios durante 2 850 años (esperando que a éste no le diera por quemarse antes, cosa bastante probable), o daría un rendimiento equivalente al de 2 000 toneladas de gasolina. En conclusión: hay una gran cantidad de energía almacenada en la masa. Si eso ocurre con 1 g de masa, ¿cuánta energía almacena el Sol?

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Planta Nuclear en Borssele, Holanda.

La 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. El número de núcleos que reacciona cada segundo es enorme y, por tanto, también la energía liberada. Se 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. La 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. La 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.

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En 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. Energía nuclear que se transforma en energía térmica al calentar agua que, al evaporarse, hace que unas turbinas produzcan, a su vez, energía eléctrica. Algunos países obtienen la mayor parte de su electricidad de esta forma.

Usos pacíficos de la energía nuclear

Si 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.

3. Medicina a. Vacunas b. Medicina nuclear c. Radioinmunoanálisis d. Radiofármacos

¿Sabías que...? La fusión 2H + 2H

4

He + 0e–

1. Agricultura y alimentación a. b. c.

Control de plagas Mutaciones Conservación de alimentos

2. Hidrología a.

Estudios hidrológicos

4. Medio ambiente

produce alrededor de 4 veces más energía que la fisión 235

U + 1n

93

Kr +

140

Ba + 31n.

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

5. Industria e investigación a. Trazadores b. Instrumentación c. Imágenes d. Datación

Reactor nuclear del IVIC

e. Investigación

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Utilización de combustibles fósiles: Desenterrando la luz solar que llegó hace años Al mencionar la palabra combustible se hace referencia a la capacidad de hacer combustión de una sustancia. Pero, a la vez, se puede aludir a su capacidad de generar una energía que puede ser controlada (como en el automóvil). Desde esta última consideración se puede hablar también de combustibles nucleares. Total, en los fósiles la energía se libera por combustión y en los nucleares por fisión o por fusión. Los combustibles fósiles se han convertido en actores de primer orden en nuestros tiempos. Ellos se derivaron, probablemente, de las biomoléculas de plantas y animales prehistóricos. Los combustibles fósiles son como luz solar enterrada. La energía almacenada que se libera al quemar estos combustibles, es energía tomada originalmente de la luz del Sol durante la fotosíntesis. Los combustibles fósiles son las fuentes más importantes de energía en la mayoría de los países desarrollados.

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Dentro del Sol, enormes presiones comprimen a los átomos de hidrógeno que se convierten en helio y liberan energía.

Ciclo de la energía

Los herbívoros se alimentan con plantas.

Las plantas usan la energía solar para convertir el agua y el dióxido de carbono del aire en azúcares y oxígeno (fotosíntesis). Los rayos solares calientan la atmósfera, evaporan mares y ríos, y forman nubes y lluvias.

Las células fotoeléctricas de ciertas calculadoras y edificios transforman la luz en electricidad.

Los restos de plantas forman carbón mineral. Algunas plantas sirven como combustible (leña y carbón vegetal).

Las centrales eólicas aprovechan la energía del viento para obtener electricidad.

El agua de las represas mueve los generadores de electricidad.

Las pilas hechas en fábricas producen corriente eléctrica.

Plantas y animales alimentan al hombre.

Las fábricas funcionan con carbón, petróleo y electricidad.

Los carros y otros vehículos funcionan con derivados de petróleo.

Los restos fósiles de algunos animales forman petróleo, que almacenan la energía que aquellos tomaron de las plantas. Con petróleo se genera electricidad.

Luz y aparatos eléctricos funcionan con corriente eléctrica. Fuente: http://www.oni.escuelas.edu.ar

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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. 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. 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.

Una de las primeras plantas de electricidad, cuya energía proviene de combustibles fósiles (Colorado, EE.UU.).

El mundo de la química

Capítulo XI. La indispensable energía

Cuando 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. Pero, ¿qué es la combustión? ¿Qué productos se forman cuando se queman los combustibles derivados del petróleo? ¿Cuánta energía interviene? Una ecuación química que ejemplifica estos procesos es la siguiente:

___C3H8 (g) + ___O2(g)

___CO2(g) + ___H2O(g); energía térmica (calor)

En este caso se está quemando un alcano en presencia de oxígeno. Demuestra tu destreza balanceando la ecuación.

Planta termoeléctrica.

Fascículo 36


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. 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.

Incendio en plataforma petrolera. Mar del Norte.

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. 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.

Para pensar 282

El etano (C2H6) libera 1,6 x 103 kJ de energía en forma de calor por cada mol que se quema. El propano (C3H8) libera 2,2 x 103 kJ por mol. Si el combustible se expende por kilogramo, ¿cuál resulta más económico? Escribe la ecuación balanceada de la combustión de cualquiera de los dos alcanos mencionados. Si tienes dudas comparte tus respuestas con tu profesor. Instalación con paneles solares para aprovechamiento de energía.

Los 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. Así 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.

Sugerencia ¿Cómo sería la vida sin el petróleo como combustible? En 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.

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Utilizando la luz recién llegada Ya 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. Es 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. Es 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. Visible Longitud de onda (m) 10-9

10-8

Frecuencia (Hz) 1017

10-7

1016

10-6

1015

1014

Ultravioleta Energía (eV) 103

102

10-5

10-4

1013

1012

Infrarrojo 10

100

10-1

10-2

Radiación solar La energía radiante está constituida por un conjunto de radiaciones electromagnéticas llamado espectro electromagnético. Cada radiación posee una frecuencia, una longitud de onda y la misma velocidad de propagación en el vacío. De mayor a menor longitud de onda, las principales radiaciones son: ondas de radio, microondas, infrarrojo, visible, ultravioleta, rayos X y rayos γ .

283

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. 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.

Planck y Einstein.

Los fotones o cuantos de energía fueron reconocidos gracias al trabajo realizado por Albert Einstein para encontrarle una explicación al efecto fotoeléctrico. Los fotones tienen comportamiento dual: se propagan como una onda electromagnética e interactúan con otras partículas como si fueran corpúsculos portadores de energía. De acuerdo con Planck, la energía de radiación (E) se relaciona con la longitud de onda mediante la ecuación:

E = hc/λ h constante de Planck = 6,62 x 10-34 J/s λ longitud de onda

Puedes ver que mientras más pequeña es λ, mayor es la energía de la radiación. Si en la ecuación anterior 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. Afiche alegórico a la Ley de Radiación de Planck. Universidad de Ulm, Alemania.

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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. Es así como la vida sobre nuestro planeta se mantiene en presencia de la radiación ultravioleta, visible e infrarroja. La radiación ultravioleta del rango UV-B y UV-A en exceso puede resultar dañina produciendo, entre otras afecciones, cáncer de piel. 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. La radiación visible es muy importante para la vida por su participación en la fotosíntesis. Radiación ultravioleta emanada por el Sol. Imágenes tomadas por satélites de la NASA. http://www.nasa/gov

284

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

6 CO2 (g) + 6 H2O (l) Proceso de la clorofila

Luz

H 2O

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). Esto significa, que para que la fotosíntesis ocurra se requerirá que el medio se desordene y así aporte la energía necesaria. Además, es necesario que el sistema disponga de la forma de captar y manejar eficientemente esta energía para lograr el producto. 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.

CO2 Cloroplasto

NADP

+

ADP

RuBP

Fotosistema II

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. 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.

3-PGA

CADENA TRANSPORTE ELECTRONES

CICLO DE CALVIN

Fotosistema I ATP le

E

H

+

ctr

one

s

NADP G3P

Respiración celular

O2

Celulosa

Azúcares

Almidón Otros compuestos orgánicos

Fase lumínica

C6H12O6 (s) + 6 O2 (g)

Ciclo de Calvin

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. 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.

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Fuentes de energía

Colector de placa plana

En la actualidad hay numerosas áreas de investigación en química relacionadas con la producción y aprovechamiento de la 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.

En 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. Éste, 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. Se usan para calentar agua y para calefacción. Los sistemas típicos para casa-habitación emplean colectores fijos, montados sobre el techo.

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

285

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. 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: 1. 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. 2. Cuando los electrones “caen” de nuevo a su estado original emiten luz. Cuando la luz se produce por reacciones químicas se llama quimiluminiscencia.

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

Luciérnaga. http://www.stainstudios.com

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Interconversión entre energía química y energía eléctrica Reacción redox entre el cobre y el nitrato de plata Lámina de cobre

Átomos de cobre sobre la superficie del metal dan 2e– por átomo y forman parte de la solución como Cu2+ (ac)

NO

NO

– 3

Ag Cu2

Ag+

NO

NO

o

– 3

Ag+

Iones de plata en la superficie del Cu toman electrones y se transforman en átomos de plata

e– – e o

Cu

Ag+

3

Así 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 carros. Tanto en la transformación de la energía eléctrica en energía química como en el caso inverso, el proceso se basa en una reacción redox.

Ago

NO

3

– 3

Solución acuosa de nitrato de plata

Depósito de plata sólida

Cu(s) + 2

Ag+

Cu2+(aq)

(ac)

+ Ag (s)

Las reacciones redox o de oxidorreducción, consisten en que al menos un átomo pierde electrones (oxidación) y al menos otro los gana (reducción). 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. Algo muy importante que debes tener en cuenta, es que el número de electrones ganados es exactamente igual al número de electrones perdidos.

286

Electrólisis con NaCl Cloro

Incorporar sal

Na

Na+ Cl– Sal disuelta

Ánodo de carbono

+

Malla de hierro Cátodo de hierro

Para pensar

Las reacciones redox

Las reacciones redox son más frecuentes de lo que crees. En fascículos anteriores y en este mismo se han presentado muchas de ellas. Bastará un par de ejemplos. Comencemos con la formación del NaCl. 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+. El sodio sufrió una oxidación y el cloro una reducción, por lo que el cloro oxidó (es el oxidante) al sodio (el reductor). 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. Es muy importante recordarte que la reacción de formación del NaCl es espontánea. 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.

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? 2 H2O. Si cada átomo de hidrógeno puede perder un electrón, La ecuación de formación del agua es 2 H2 + O2 ¿cuántos electrones puede ganar cada átomo de oxígeno? Si tienes duda comparte tus respuestas con tu profesor. En el primer ejemplo se han formado iones, hubo una pérdida y ganancia real de electrones. 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. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo XI. La indispensable energía • fascículo 36


Energía eléctrica y trabajo a partir de la energía química Las 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. En 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. El 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. John Frederic Daniels (1790-1845) 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 un bombillo, poner a funcionar un motor, etc. Así, la energía química de la reacción es utilizada para producir un trabajo. Recuerda que al electrodo donde ocurre la oxidación se le denomina ánodo y al electrodo donde ocurre la reducción se le denomina cátodo.

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

287

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. 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.

¿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. 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”. Sabemos 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 se les haga tarde, países como Venezuela deberían prepararse desde ya para estos cambios en los patrones energéticos mundiales. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo XI. La indispensable energía • fascículo 36


CapĂ­tulo XII:


Concurso de afiches de la IUPAC. Tema: “Es un mundo químico”. Autora: Dong Y. Suh (13 Años), Corea. Obra: El cuerpo humano es una planta química.

Comenzamos la colección diciendo que todo lo que nos rodea es química, incluso nosotros mismos, y así lo hemos ido viendo a lo largo de los 36 fascículos que preceden esta última parte de la serie que hemos llamado La química de la vida. En este capítulo haremos un interesante viaje que, esperamos, te permitirá conocer un poco más sobre la química que está involucrada en el organismo humano y los efectos de algunas sustancias beneficiosas o nocivas para la salud. ¿Cuál es la constitución química del organismo humano? ¿Qué procesos químicos están presentes en el sostenimiento de la vida? ¿De qué manera podemos entender la química corporal? En este capítulo trataremos de ir respondiendo estas preguntas y te daremos información que te ayudará a conocerte y a escoger criterios de comportamiento para una vida más sana.

El mundo de la química

La química de la vida

Fascículo 37


La química corporal en construcción: Elementos químicos en el cuerpo humano El cuerpo humano está compuesto al menos por veintiséis elementos que se encuentran en las biomoléculas y como iones en los fluidos corporales. En el capítulo III, se presentó una figura humana en la cual se destacaban algunos de estos elementos. ¿Sabes cuáles son las fuentes naturales por medio de las que tu organismo puede adquirir algunos de estos elementos? ¿Conoces las consecuencias que tiene sobre tu salud una deficiencia de ellos? Estudia la siguiente tabla y lo sabrás. Mineral

Calcio

Ca

Potasio

K 290

Sodio

Na

Magnesio

Mg

Yodo

I

Fuente

Algunas posibles consecuencias de su deficiencia aguda

Leche, quesos, yogurt, hígado y moluscos.

Raquitismo en niños; osteoporosis en adultos. Palpitaciones, insomnio, calambres musculares, caída de dientes, cabello, uñas débiles.

Jugo de naranja, plátano, cambur, duraznos, frutas secas.

Funcionamiento nervioso deficiente; ritmo cardiaco irregular; disminución de la temperatura corporal.

Carnes, alimentos procesados con sal, sal de mesa.

Pérdida del apetito, hipotensión, pérdida de peso, jaqueca.

Pescados y mariscos, granos enteros, nueces, vegetales verdes, chocolate amargo, miel.

Calambres, temblores, desorientación, nerviosismo, pérdida del apetito, arritmias cardíacas, descalcificación.

Pescados y mariscos, la sal yodada y el mango.

Bocio, obesidad, irritabilidad, apatía, debilidad muscular, aumento de peso, cabello seco.

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Desde elementos hasta compuestos Mineral

Cobalto

Co

Selenio

Se

Hierro

Fe

Zinc

Zn

Fuente

Posibles consecuencias de su deficiencia aguda

Hígado, carnes (músculos y órganos), levaduras y cerveza.

Anemia, fatiga crónica, degeneración de la médula espinal y terminaciones nerviosas periféricas.

Merey, brócoli, atún, germen de trigo, levaduras, mariscos, peces, moluscos, algas, hongos, céleri, cebollas, ajo y condimentos.

Envejecimiento prematuro, cataratas, distrofia muscular, degeneración del hígado, enfermedades del corazón.

Hígado, carnes, vegetales verdes, granos enteros, huevos, melaza y germen de trigo.

Anemia por deficiencia de hierro, cansancio y apatía, uñas opacas, lengua manchada o inflamada.

Hígado, mariscos, carnes, levadura de cerveza, soya, espinaca, semillas de girasol, hongos, jugos naturales no procesados.

Fatiga, disminución de la agudeza visual (ceguera nocturna), pérdida del apetito, retraso en maduración sexual y en el crecimiento, pérdida del gusto y del olfato.

291

¿Por qué fluorar el agua potable? La sales de flúor, como fluoruro de calcio (fluorita) o de sodio y aluminio (criolita), son minerales que ocurren naturalmente. El fluoruro es el luchador por excelencia contra las caries, ya que remineraliza los dientes haciendo el esmalte dental más resistente al ataque de los ácidos bacteriales. Se ha comprobado que el fluoruro añadido al agua potable en concentración óptima de 1,0 partes por millón, es seguro y eficaz en la prevención de la formación de caries en grandes y chicos. La concentración de flúor debe ser estrictamente controlada ya que dosis mayores ocasionan manchas dentales (diente moteado). Las aguas de consumo masivo en Venezuela no están fluoradas. Por ello es recomendable incorporar flúor a la boca mediante las pastas dentales, enjuagues fluorados, geles y barnices que aplican los profesionales de la odontología. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo XII. La química de la vida • fascículo 37


Combustible de tu cuerpo: Una cuestión de energía Oxígeno, carbono, hidrógeno y nitrógeno son los elementos más abundantes en el organismo. La mayor parte de ellos está presente en compuestos indispensables para tu cuerpo como los carbohidratos, las proteínas y las grasas.

TRIFOSFATO DE ADENOSINA (ATP) Adenina

NH2

C

N Fosfatos -O -O -O

H

-O P O P O P O

O

O

C

H

H

Las reservas de energía del cuerpo se almacenan en los carbohidratos y en las grasas. Los primeros proporcionan, en promedio, 4 kcal/g de energía, mientras que las segundas proporcionan 9 kcal/g de energía (1 kcal es igual a 4,18 kJ). En el intervalo entre la liberación de energía a partir de estas moléculas y su utilización por el organismo, la energía se puede almacenar durante un tiempo breve en moléculas de un compuesto llamado ATP (adenosine triphosphate: trifosfato de adenosina). Una forma sencilla de entender esto es pensar en la siguiente analogía descrita en el Quim com. (1999) que señala: “el dinero se guarda en un banco hasta que se necesita. Una vez que se necesita se retira lo necesario del banco. Entre el momento en que recibes el efectivo y el instante en que lo gastas, guardas el dinero en tu bolsillo (ATP es el bolsillo)”.

C H

C N

O

CH2

O

N

N

C

H

H

OH OH Ribosa NH2

C

N H

292

-O

-O

-O P

O P

O

O

O

C

CH2

H

C

N C H

C N N

O

H

H

OH

OH

H

2-

+HPO4 +H

+

La reacción primordial de liberación de energía del cuerpo es la oxidación de la glucosa (que puede obtenerse a partir de los alimentos consumidos) a CO2 y agua. La energía que contiene la glucosa se libera poco a poco en reacciones individuales y de inmediato se almacena a corto plazo en el ATP. En la reacción de almacenamiento de energía (abajo), el ADP (difosfato de adenosina) incorpora en su estructura un grupo fosfato (PI) para formar ATP y agua.

DIFOSFATO DE ADENOSINA (ADP) A medida que el cuerpo necesita energía, ésta se libera por acción inversa de la reacción de almacenamiento de energía (derecha). La conversión de ATP en ADP (arriba), provee cerca de 7,3 kcal/mol por unidad de ATP. Ésta es la fuente de energía para diferentes funciones vitales del cuerpo, como la digestión, la circulación de la sangre, la respiración, la contracción muscular, la secreción glandular y la reparación de tejidos, entre otros.

EVITAR O CONSUMIR ESCASAMENTE Grasas, aceites y dulces 3 RACIONES Leche, yogurt y quesos

3 RACIONES Vegetales

SUPLEMENTOS Calcio, vitaminas D y B12

2 RACIONES Carne, pollo, pescado, granos, huevos y nueces 2 RACIONES Frutas

6 RACIONES Pan, cereales, arroz y pasta 8 VASOS Agua o jugos

Energía de los alimentos y la fosfocreatina

ADP + PI

ATP+H2O

Importante Para que tu cuerpo pueda llevar a cabo, con mayor eficacia, estos y muchos otros procesos imprescindibles para su correcto funcionamiento, es necesario que te alimentes adecuadamente, tal como se muestra en la figura a mano izquierda. En términos generales, en lo que a carbohidratos, lípidos y proteínas se refiere, el consumo diario para un adulto promedio debería ser de 50 a 60 % de carbohidratos, hasta 30 % de lípidos y de 15 a 20 % de proteínas.

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¿Sabías que…? Las grasas son compuestos orgánicos constituidos por carbono, hidrógeno y oxígeno, que pertenecen al grupo de las sustancias llamadas lípidos. Entre éstos se encuentran los glicéridos, siendo los triglicéridos unos de los más comunes en el organismo. Los triglicéridos son ésteres de un compuesto llamado glicerol, en el cual los tres grupos –OH han sido esterificados con ácidos grasos de cadenas largas. Si los triglicéridos son sólidos a temperatura ambiente se les llama grasas, mientras que si son líquidos se les llama aceites.

Las grasas pueden ser saturadas e insaturadas. Las grasas saturadas o parcialmente saturadas pueden producir problemas de obstrucción arterial, mientras que las insaturadas, de acuerdo a estudios médicos, son beneficiosas para la salud.

293

¿Grasa o celulitis? La función primordial de las grasas es proporcionarnos energía. Sin embargo, una vez cubiertas las necesidades energéticas el exceso se almacena. La lipodistrofia, celulitis o piel de naranja son términos que se refieren a un mismo problema: la alteración del metabolismo normal de la grasa en el interior de células que se sitúan debajo de la piel y que son llamadas adipositos. La aparición de estos “hoyuelos”, principalmente en la zona de los muslos, abdomen, caderas, glúteos y brazos, responde a un proceso de acumulación excesiva de lípidos (grasas) dentro de estas células específicas. Debido a esto, los adipositos empiezan a crecer, se ensanchan y aprietan entre sí, lo que dificulta la circulación. Posteriormente se produce una acumulación de líquido entre las células, las cuales comienzan a sufrir una fibrosis, alterando la circulación sanguínea y empiezan a aparecer las primeras señales visibles de la celulitis. Las células grasas tratan de moverse hacia las capas superiores de la piel, mientras que las vendas fibrosas de los músculos se mueven en sentido contrario, tal como sucede con los botones en un colchón. Así se producen las deformaciones de la superficie de la piel que llamamos celulitis.

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Química que salta a la vista: Proteínas del cabello Las proteínas también son fuentes de energía, aunque su aporte calórico (4 Kcal/g) es menor que el de las grasas. Su función en el organismo no es la de ser un combustible sino la de ayudar con la construcción de tejidos y la reparación de los mismos. Las proteínas son polímeros naturales con masas molares superiores a 10 000.

¿Alguna vez te has preguntado cuál es la constitución de tu cabello o de tu piel?

Mujeres peinándose el cabello. Edgar Degas.

El cabello está formado por 28 % de proteínas, 2 % de lípidos y 70 % de agua. La proteína más abundante es la queratina, que está compuesta por cadenas polipeptídicas muy ricas en el aminoácido cisteína. Los principales elementos del cabello son: carbono, hidrógeno, oxígeno, azufre y nitrógeno y, en menor cantidad, cobre, calcio, potasio, sodio, magnesio, hierro, zinc, cadmio, mercurio, plomo, arsénico, silicio, vanadio y uranio. El cabello es, pues, una proteína fibrosa que no está viva, pero su crecimiento parte de células vivas que son células cutáneas modificadas. Cada cabello se aloja en un hueco pequeño pero profundo, llamado folículo piloso. Las células de cabello en crecimiento emergen del fondo del folículo y salen hacia la superficie del cuero cabelludo, pero mueren antes de llegar a la superficie, dejando atrás únicamente las cadenas de aminoácidos que han añadido a la base del cabello.

294

CADENA DE PROTEÍNAS DEL CABELLO = Aminoácido N = Interacciones no polares (hidrofóbicas) = Puentes de disulfuro = Puentes de hidrógeno =

Grupos polares (hidrofílicos)

Las propiedades físicas y mecánicas del cabello vienen dadas por los diferentes enlaces e interacciones químicas que pueden presentarse entre las cadenas de proteína del cabello. Dichas cadenas se mantienen en su lugar mediante enlaces iónicos, puentes de hidrógeno y enlaces de disulfuro. No permanecen completamente extendidas sino enrolladas en forma de espiral, asemejándose a los antiguos cables telefónicos. Las proteínas del cabello se vuelven rígidas y se endurecen por efecto de los enlaces disulfuro, por lo que lo rizado o liso del cabello depende de la manera como unen los enlaces disulfuro a las cadenas paralelas de proteína.

Interesante Cuando secas tu cabello con secadores de aire o rizadores ayudas a modelarlo rápidamente, porque las altas temperaturas favorecen las interacciones entre las hebras de proteína. Sin embargo, el calor excesivo puede dispersar los aceites capilares y hasta separar las cadenas de proteína, lo que origina resequedad en el cabello. Uno de los detalles interesantes en este punto, es que con estos métodos de modelado los efectos desaparecen rápidamente al humedecer de nuevo el pelo. Si se quiere obtener un peinado a prueba de agua (permanente), es necesario reacomodar los enlaces covalentes de los puentes disulfuro que son los que no se ven afectados por el agua. Se deben romper enlaces entre cadenas de proteínas y formar otros nuevos. Si las cadenas de proteína no forman enlaces nuevos, las hebras se separan y se originan así las horquetillas, es decir, se parten los extremos del cabello. Cuando se hace una permanente, el cabello se trata con la solución de un tiol, como el 2-mercaptoetanol (HS-CH2CH2-OH), de tal manera de reducir los puentes disulfuro y romperlos. Posteriormente se enrolla en los rizadores y se deja que se vuelvan a formar los puentes de disulfuro, ya sea por oxidación al aire o por aplicación de un neutralizador. Los enlaces de disulfuro se vuelven a formar en nuevas posiciones, manteniendo al cabello en la conformación ondulada de los rizadores. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo XII. La química de la vida • fascículo 37


y de la piel La piel posee dos proteínas que permiten su estiramiento cuando nos inclinamos y que vuelva a su posición anterior al enderezarnos. Responsables de esta propiedad son el colágeno y la elastina. El 80 % de la composición de la piel es colágeno, que es una proteína fibrosa formada por aminoácidos dispuestos en tres cadenas con una estructura helicoidal. El colágeno es resistente y difícil de estirar, mientras que la elastina es elástica. La piel contiene entre 1 y 5 % de elastina, la cual es una proteína fibrosa que imparte elasticidad a la piel y cuya estructura en lámina estirada se semeja a una red con tendencia a rechazar el agua (hidrófoba). En las personas mayores desaparecen parte de las fibras que contienen elastina por lo que la piel luce arrugada. La coloración de la piel está relacionada con un polímero irregular de aminoácidos como la tirosina y el triptofano llamado melanina. Este polímero se produce en células llamadas melanocitos. Todas las personas tienen aproximadamente la misma cantidad de melanocitos, pero la diferencias de color entre las personas se debe a que los de piel más oscura producen más melanina. La melanina está considerada como el factor fisiológico de protección más importante de la piel; su producción se estimula con la exposición solar y produce el bronceado. Las radiaciones UV-A (ultravioleta A) actúan oxidando la melanina y provocando el denominado bronceado directo, que tiene la característica de desaparecer muy rápidamente. Las radiaciones (ultravioleta B) UV-B actúan sobre los melanocitos activando la producción y oxidación de melanina, lo que origina el bronceado indirecto o duradero.

295

UV-A UV-B

Melanocitos

No obstante, la presencia de la melanina no es suficiente para asegurar una buena protección y por eso hay que recurrir a los protectores solares, sobre todo cuando se somete la piel a una exposición prolongada al Sol que puede ocasionar quemaduras. Una quemadura leve produce la lesión de las células y se inflaman temporalmente los vasos sanguíneos de la dermis. Una quemadura intensa hace que mueran muchas de las células, la piel se ampolle y se produzca un engrosamiento de la epidermis. La exposición excesiva a la radiación solar, produzca o no quemaduras, aumenta el riesgo de desarrollar cáncer de piel, incluyendo el melanoma maligno que, a pesar de no ser muy frecuente, puede ser fatal.

Epidermis

Dermis

Vasos sanguíneos

Luz ultravioleta

El efecto beneficioso de la luz solar

7-Deshidrocolesterol

Vitamina D

La luz del Sol ayuda al organismo en la síntesis de la vitamina D, la cual juega un papel importante en la mineralización de los huesos pues favorece la absorción intestinal de calcio y fósforo. El efecto de la radiación ultravioleta es transformar en vitamina D el 7-Deshidrocolesterol que se encuentra principalmente en la piel y que es producido en el hígado a partir de colesterol. La cantidad de luz solar que se requiere para prevenir la deficiencia de calcio varía con la época del año y la latitud. No obstante, en términos generales, los expertos recomiendan una exposición solar de cara y brazos de 5 a 10 minutos, 2 a 3 veces por semana. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo XII. La química de la vida • fascículo 37


Transformaciones químicas en tu interior El gran escenario de la actuación química en el cuerpo: La célula A pesar de que el hombre ha podido lograr innumerables avances científicos, ninguna creación humana es capaz de transformar moléculas complejas en unas pocas moléculas sencillas y viceversa, con la eficiencia y en las condiciones en las que ocurren en los seres vivos. La unidad básica de todo lo viviente, desde las bacterias hasta las plantas y animales más evolucionados, es la célula. De la actividad individual o cooperativa entre las células surgen todas las funciones vitales de los organismos.

Células de glóbulos rojos atacadas por un virus.

296

Ya vimos en el fascículo anterior, que los alimentos son la fuente de energía del organismo y que ellos se degradan dentro del cuerpo para satisfacer las continuas necesidades de energía. Aquí las células juegan un papel importante, pues es en ellas donde la energía se libera y se utiliza con gran rapidez y selectividad, en procesos muy eficientes que satisfacen las necesidades de uso o de liberación de energía de las reacciones celulares. Pero esto no es todo: en el interior de las células también ocurren eventos altamente rápidos, selectivos y eficientes, de tal manera que toda célula sana es capaz de preparar, precisamente, las moléculas que necesita, en la cantidad exacta y en el momento exacto en el que los requiere. De esta manera, ocurren reacciones en el interior de tu cuerpo, que son las que te permiten responder rápidamente a ciertos estímulos externos. Es por esa razón que puedes retirar rápidamente tu mano de una plancha caliente, cubrir tu cabeza con los brazos si algo se te viene encima, dejar de pedalear para frenar tu bicicleta o colocar las manos en el suelo ante una caída. La eficiencia de estos procesos se debe a catalizadores biológicos llamados enzimas, que son proteínas altamente especializadas que se encuentran en todas las células, logrando que las moléculas puedan reaccionar más fácilmente, lo que se traduce en un aumento de la rapidez de las reacciones al disminuir la barrera energética necesaria para que los reactivos se transformen en productos.

Representación en 3D de la actuación de una enzima. Fuente: hsc.unm.edu/som/ research/funding.cfm

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¿Sabías que…? En un segundo, una sola molécula de enzima de tu sangre puede catalizar la descomposición de 600 000 moléculas de ácido carbónico (H2CO3), las cuales se liberan en tus pulmones cuando realizas una exhalación. En un segundo, también, una enzima de la saliva puede liberar del almidón 18 000 moléculas de glucosa.

El mundo de la química

Capítulo XII: La química de la vida Ribosomos Complejos de Golgi

Interesante En este punto te podrás estar preguntando cómo "sabe" la célula que debe realizar sólo determinadas reacciones, a pesar de que estén disponibles sustancias para muchas otras. Incluso, pudieran surgir preguntas, tales como: ¿por qué las células del estómago digieren la proteína y no el almidón o la grasa? ¿Por qué las células oxidan la glucosa a dióxido de carbono (CO2) y agua, en lugar de reducirla a metano (CH4) y agua? Todas estas preguntas pueden responderse de la misma manera: una enzima determinada sólo puede catalizar un tipo específico de reacción, por lo que una célula sólo produce reacciones para las cuales tiene enzimas.

Mitocondria Vacuola

Membrana celular Retículo endoplasmático

Citoplasma

Nucleolo Retículo endoplasmático rugoso

Cromosomo

Membrana del núcleo

Célula humana

Fascículo 38


La constancia corporal Las reacciones metabólicas deben ser reguladas para mantener el medio interno de una célula y de un organismo tan constante como sea posible. Esto es una necesidad dado que la actividad enzimática es óptima en unas condiciones determinadas, por ejemplo, un estrecho intervalo de temperatura y pH. El medio externo cambia y el ser vivo debe responder a estos cambios, de forma tal que le permita mantener las condiciones óptimas para que sus enzimas continúen trabajando. Incluso, cualquier desajuste interno debe ser prontamente controlado para restablecer la condición de equilibrio (o, más formalmente, la condición de estado estacionario, dado que los seres vivos son sistemas abiertos). En las formas más evolucionadas, la regulación y tendencia a la constancia requiere de hormonas, la presencia de sistemas de transporte y de un ajuste orgánico. Esto garantiza que las células reciban las sustancias químicas necesarias para su funcionamiento, se deshagan rápidamente de sus productos de desecho y tengan una temperatura y un pH adecuados.

298

32 ºC

Temperatura del ambiente

37,2 ºC

Temperatura corporal

24 ºC

Temperatura del agua

La sangre transporta los suministros y desechos y, además, protege a las células de cambios nocivos en las condiciones físicas y químicas como las que provocan las bacterias invasoras. En condiciones normales, en tu cuerpo coexisten ecosistemas bacterianos bien equilibrados. A pesar de que siempre hay bacterias nocivas a nuestro alrededor, por lo general no consiguen provocar enfermedades, debido, en parte, a que tienen que competir con bacterias inofensivas. Con frecuencia se produce una enfermedad cuando se destruyen las bacterias inofensivas y aumenta el número de las bacterias que producen enfermedades.

¿Sabías que…? El mantenimiento del equilibrio en el cuerpo se llama homeostasis. Este proceso garantiza, que aunque las condiciones externas varíen, los efectos de estos cambios sobre el organismo sean mínimos. Si el equilibrio se altera y los mecanismos homeostáticos no pueden recuperarlo, entonces el organismo puede enfermar y, con el tiempo, morir.

Interesante Si la cantidad de líquidos en tu cuerpo es insuficiente, el cerebro se comunica con los riñones enviándoles una hormona que hace que éstos retengan ciertos líquidos. Se tiene así que la sensación de sed no es más que una respuesta del cerebro, indicativa de que el organismo necesita líquidos para mantener el equilibrio. Una vez que bebes agua, el nivel de hormonas baja y los riñones liberan más líquidos, que son expulsados, junto con otros materiales, a través de la orina.

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¿Qué tan importantes son los ácidos y las bases en nuestro organismo? ¿Recuerdas que antes viste que el pH de la sangre está entre 7,35 y 7,45? Este valor proviene de la reacción del agua con el CO2 que, como ya sabes, es desprendido por las células en la reacción primordial de liberación de energía del cuerpo, que es la oxidación de la glucosa:

CO2(g) + H2O(l)

H2CO3(ac)

H+(ac) + HCO3-(ac)

Existen otros ácidos que se producen en el organismo, tales como el ácido láctico (CH3CHOHCOOH) y el ácido fosfórico (H3PO4), los cuales se originan como parte de la digestión de alimentos, y el ácido clorhídrico, que forma parte del jugo gástrico. En este punto surge una pregunta de manera natural: ¿cómo hace el cuerpo para mantener un pH constante? La respuesta es que utiliza amortiguadores químicos, que son disoluciones que contienen un ácido débil y su base conjugada, o una base débil y su ácido conjugado, y que tienen la capacidad de resistir los cambios de pH que pudieran ocurrir por la adición de pequeñas cantidades tanto de ácidos como de base. En la sangre el sistema amortiguador más importante es el formado por ácido carbónico (H2CO3) y bicarbonato de sodio (NaHCO3). Si se agrega un ácido, los iones H+ serán consumidos por la base del amortiguador (que son los iones HCO3– provenientes de la disociación del bicarbonato de sodio), de acuerdo con la ecuación:

H+(ac) + HCO3(ac) Del ácido agregado

Ión bicarbonato actuando como base

299

H2CO3(ac) Ácido carbónico

Si se añade una base, los iones -OH serán neutralizados por el ácido del amortiguador:

OH-(ac) + H2CO3(ac) De la base agregada

Ácido carbónico

HCO3-(ac) + H2O(l) Ión bicarbonato

Agua

Los productos se convierten en parte del sistema amortiguador y así el pH se mantiene constante.

Para pensar En el interior de la célula existe un sistema amortiguador muy importante formado por el par H2PO4–/HPO42–. ¿Cuál ión piensas que es el ácido y cuál ión su base conjugada? Si tienes duda consulta con tu profesor.

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¿Qué tan importantes son los ácidos y las bases en nuestro organismo? El estómago es otro sitio del cuerpo donde ocurre la interesante química de los ácidos y las bases.

Método para la determinación de la secreción gástrica de ácido

Seguramente has oído hablar del jugo gástrico, que es un fluido digestivo ácido secretado por las glándulas de la mucosa que envuelve internamente al estómago y que en un adulto promedio es producido diariamente en cantidades de 2 a 3 dm3. Entre otras sustancias, el jugo gástrico contiene ácido clorhídrico y tiene un pH de aproximadamente 1,5: un medio tan ácido que sería capaz de disolver zinc metálico. ¿Cuál es la finalidad de este medio tan ácido? Convertir el alimento en sustancia que puedan ser asimilidas por el organismo y activar determinadas enzimas digestivas.

Interesante pH acidez titulable

300

¿Has sentido alguna vez una sensación de ardor en el estómago o zona media del pecho? ¿Conoces a alguien que lo haya sentido? Estos síntomas corresponden a la llamada "acidez estomacal", cuyo origen químico es un exceso de ácido clorhídrico. Cuando comes se estimula la secreción de los iones H+ y una pequeña fracción de ellos se reabsorbe por la mucosa, lo que provoca pequeñas hemorragias. Este proceso es normal y aproximadamente medio millón de células se renueva cada minuto, por lo que un estómago sano se recubre en forma completa en un lapso de tres días, más o menos. Pero si la cantidad de ácido es demasiado grande, la afluencia constante de los iones H+ a través de la membrana de regreso al plasma sanguíneo puede causar dolor, hinchazón, contracción muscular, inflamación y sangrado.

Una manera de reducir temporalmente la concentración de iones H+ en el estómago es tomando un antiácido, cuya función principal es neutralizar el exceso de ácido clorhídrico en el jugo gástrico. ¿Cuáles son los ingredientes activos de algunos antiácidos comerciales? Observa la siguiente tabla: Nombre comercial

Ingredientes activos

Alka-Seltzer

Aspirina, bicarbonato de sodio, ácido cítrico

Leche de magnesia

Hidróxido de magnesio

Tums

Carbonato de calcio

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Sustancias extrañas en el organismo: ¿Qué hace la química corporal para ayudarte? Hígado

Cuando sustancias tóxicas o microorganismos causantes de enfermedades como virus, bacterias, protozoos, hongos, parásitos o las moléculas producidas por ellos penetran en el cuerpo, se activan los mecanismos de defensa que ayudan a protegerte. Por ejemplo, el ácido del jugo gástrico ayuda a destruir muchos microorganismos en el estómago antes de que éstos puedan entrar en la corriente sanguínea. Igualmente, las membranas que recubren la parte interna del tracto digestivo y de los pulmones resisten la infección de casi todos los organismos infecciosos.

Vesícula biliar

Sin embargo, estas defensas externas no son las únicas con las que cuenta el cuerpo. También se encuentran las defensas internas. Una de ellas es la desintoxicación de la sangre a través del hígado, el cual separa las sustancias útiles de las que son dañinas o indeseables y descompone las sustancias tóxicas absorbidas por el intestino o producidas en cualquier parte del organismo, eliminándolas por la bilis o la sangre como subproductos inocuos. El hígado no posee una capacidad ilimitada de desintoxicación del organismo. Si ingieres muchas sustancias nocivas como alcohol y alimentos ricos en grasas saturadas, particularmente si están fritos, el hígado se puede sobrecargar y la función hepática verse disminuida, lo que originaría la acumulación de moléculas dañinas en el organismo, problemas en la distribución de moléculas esenciales como glucosa y aminoácidos, así como daños en la síntesis de proteínas importantes. El otro mecanismo interno de defensa con el que cuentas es el sistema inmunológico, el cual te ayuda a impedir los efectos tóxicos de agentes invasores.

Conducto biliar

Papila duodenal principal

Trayecto de la bilis

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Representación en 3D del virus del SIDA

Cualquier sustancia extraña que introducida en el interior del organismo provoque una respuesta inmunitaria, se denomina antígeno. Para destruir la actividad de los antígenos, el sistema inmunológico crea los anticuerpos que son proteínas de glóbulos blancos. Cada anticuerpo en el organismo reconoce y se une a un determinado antígeno, es decir, la interacción antígenoanticuerpo es específica. La construcción de anticuerpos que ataquen específicamente a un antígeno dado no es una actividad tan sencilla y sólo ciertos tipos de glóbulos blancos están en capacidad de producirlos. Una vez establecida la vía de síntesis, el anticuerpo específico pueden, de ahí en adelante, fabricarlo con facilidad y es así como se desarrolla la inmunidad ante ciertas infecciones bacterianas y virales. Desafortunadamente, el cuerpo no puede protegerse de manera eficaz contra todos los agentes causantes de enfermedades. Tal es el caso del virus de inmunodeficiencia humana (VIH), que puede llevar al desarrollo del síndrome de inmunodeficiencia

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Química para curar enfermedades A pesar de la existencia de muchas enfermedades, día a día se van perfilando numerosos avances científicos y tecnológicos que han permitido darle solución a un gran número de problemas y mejorar la calidad de vida. La química se consagra así como una herramienta muy poderosa para alcanzar este objetivo.

Molécula del ácido salicílico.

La aspirina o ácido acetilsalicílico puede dañar la mucosa del estómago.

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La aspirina es un ácido moderadamente débil, que se ioniza según el siguiente equilibrio:

Un ejemplo clásico y sencillo de esto lo constituye la aspirina. Como ya se dijo en un fascículo previo, la aspirina está considerada como uno de los cinco inventos más importantes del siglo pasado, debido a que ha facilitado la vida del hombre al permitirle combatir la fiebre y el dolor. Este fármaco tuvo su origen en el conocimiento de que la salicina, una sustancia aislada de la corteza de ciertos sauces, es un potente analgésico y antipirético y su estructura química sirvió como patrón para la síntesis de la aspirina o ácido acetilsalicílico. Este ácido es fácilmente sintetizable. Aunque presenta buenas propiedades analgésicas, produce irritaciones en las mucosas de la boca y de la parte superior del tracto digestivo. Para solucionar este inconveniente se sustituyó el H del fenol del ácido salicílico por un grupo acetilo. Esta sencilla modificación, en donde se utilizaron conocimientos químicos, permitió la obtención de un fármaco muy versátil y es también recomendado por los médicos para prevenir accidentes cardiovasculares. O O C

C

O CH3

OH

O

Ácido acetilsalicílico

O C

C O

CH3 –

+ H+

O

Ión acetilsalicilato

En presencia de una gran concentración de iones H+ en el estómago, estos iones deben ser consumidos para restablecer el “equilibrio” interno (recuerda lo dicho sobre homeostasis), para ello el equilibrio anterior debe desplazarse hacia la izquierda favoreciendo la presencia del ácido casi sin ionizar. Debido a que el ácido acetilsalicílico es una molécula relativamente no polar, es posible que penetre las barreras membranales que también están hechas de moléculas no polares. Sin embargo, dentro de las membranas hay pequeñas cavidades en las que el ácido acetilsalicílico se ioniza en iones acetilsalicilato y H+ , tal como se indica en el equilibrio anterior. De esta manera estas especies iónicas quedan atrapadas en regiones internas de las membranas y, cuando sus concentraciones son elevadas, pueden afectar sus estructuras y causar irritaciones que pueden llegar a producir pérdida de sangre.

Las alergias Las alergias son causadas por una hipersensibilidad del sistema inmunológico que produce una respuesta inmune errónea. Se presentan cuando nuestro sistema reacciona ante sustancias (alergenos) que normalmente son inocuas y que en la mayoría de las personas no originan una respuesta inmune. En el momento en que un alergeno entra en el organismo de una persona que tenga el sistema inmune sensibilizado, se dispara la producción de anticuerpos y los tejidos corporales liberan químicos como parte del mecanismo de defensa, lo cual produce erupción cutánea, urticaria, prurito, edema de los tejidos que se ven afectados, espasmos musculares y otros síntomas que pueden variar de persona a persona. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo XII. La química de la vida • fascículo 38


Drogas que curan y otras que pueden matar Aun una creación tan maravillosa como el cuerpo humano no es infalible, infatigable o indestructible. Ante cambios del medio muy violentos, los mecanismos de defensa del organismo pueden ir haciéndose más lentos y menos eficientes, las respuestas no siempre tan acertadas, se puede carecer o tener deficiencias de algo vital... Para tratar de buscar soluciones a estos problemas el hombre despliega el máximo de su inteligencia y creatividad. Restaurar la salud es, más que un reto, una tarea necesaria. Los avances en química han permitido la obtención de un gran número de medicamentos útiles en el tratamiento de diversas dolencias. La extracción de los principios activos de las medicinas en los productos naturales ha ido, poco a poco, acompañándose de su síntesis en el laboratorio, a la par que se afinan los métodos de análisis e identificación. Sin embargo, así como se han usado para hacer el bien, lamentablemente también han sido empleados por manos inescrupulosas para la obtención de sustancias que siembran el sufrimiento en un gran número de familias. En este fascículo encontrarás información general interesante acerca del cuerpo humano en relación con las drogas.

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¿Sabías que…? Fármaco o droga son palabras sinónimas que designan aquellas sustancias químicas de origen natural o sintético que influyen sobre las funciones de los organismos vivos. En la Antigüedad se usaba el término pharmacon para hacer referencia tanto a los medicamentos como a los venenos. Actualmente, se siguen utilizando estos términos de manera indistinta dentro de la literatura especializada, pero es común que haya personas que crean que los fármacos son buenos porque alivian el sufrimiento, permiten combatir las enfermedades, etc., mientras que las drogas son peligrosas, originan trastornos severos, pueden provocar la muerte y por eso deberían estar prohibidas. Ambos, fármacos y drogas, son sustancias de uso muy delicado que sólo deben consumirse bajo prescripción médica

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Mecanismos de acción general de los fármacos Los analgésicos, los antiinflamatorios, los antibióticos, las anfetaminas, la cafeína, la nicotina y la cocaína son drogas, pero difieren grandemente en potencia y efecto. Todas ellas ejercen una influencia en el organismo alterando la química del cuerpo o del cerebro. Algunas alivian el dolor, otras detienen infecciones, estimulan al cerebro o compensan deficiencias químicas. No obstante, un hecho que comparten es que actúan a nivel molecular y, por lo común, en un área específica del cuerpo. El primer paso en el mecanismo de acción de una droga, es el transporte de su parte activa hacia al sitio del cuerpo donde actúa. Una vez allí, la gran mayoría de estos productos cumple su mecanismo de acción a través de la interacción con estructuras llamadas receptores, que son moléculas, generalmente proteicas, que se encuentran ubicadas en las células y que tienen la forma y las propiedades químicas específicas para interactuar con la molécula de la droga e iniciar la respuesta biológica deseada.

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Un ejemplo que permite ilustrar este mecanismo de acción lo constituye el de la adrenalina, también conocida como epinefrina, que es usada en muchas gotas y aerosoles nasales con el fin de aliviar síntomas alérgicos graves. La molécula de adrenalina se acomoda en su receptor y se origina un complejo fármaco-receptor por la formación de enlaces iónicos, puentes de hidrógeno y atracciones no polares y, de esta forma, comienza una serie de reacciones que permiten aliviar los síntomas. CH3 CH2 H H

N+

H

Molécula de adrenalina

C

OH

OH

OH

H

Receptor Enlace iónico

Enlace de hidrógeno

Atracciones no polares entre áreas planas

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Las drogas usadas para aliviar los dolores se denominan analgésicos. Estas sustancias funcionan impidiendo que las señales nerviosas que provienen de la fuente de dolor lleguen hasta el cerebro. Realizan este proceso al interactuar con los receptores de proteínas de membranas celulares claves del cerebro, distorsionando lo suficiente la forma de la proteína como para bloquear la señal de dolor.

El mundo de la química

Capítulo XII: La química de la vida ¿Sabías que...? En los medicamentos genéricos, el vocablo genérico se refiere al nombre del principio activo del medicamento. Usualmente el nombre genérico es una abreviatura o está relacionada con el nombre químico. Por ejemplo, acetaminofén, un analgésico, es el nombre genérico de N-acetil-para-hidroxianilina. Una droga puede ser identificada por el nombre genérico o por uno o varios registrados; por ejemplo, Atamel® es el nombre registrado que una compañía farmacéutica (Pfizer) le da al acetaminofén. El nombre registrado sólo puede ser utilizado por la compañía manufacturera que lo patenta. El mismo principio activo es complementado con otras sustancias y es patentado con otro nombre. Por ejemplo, Acuten® es el nombre registrado (Farma) de una mezcla de acetaminofén con codeína. Cuando las patentes se vencen, otros productores pueden comercializarlos. Los medicamentos genéricos son tan eficaces como los que poseen una marca comercial y tienen la ventaja de ser más económicos. Pero recuerda que es importante que te informes sobre los genéricos y en esto el mejor asesor es tu médico tratante.

Fascículo 39


Productos naturales, ¿son todos beneficiosos? Una creencia altamente difundida en nuestra sociedad es que los productos naturales son inocuos y siempre beneficiosos para la salud. Esto no es del todo cierto, pues así como existen productos beneficiosos también hay productos perjudiciales. Entre los productos naturales que poseen principios activos beneficiosos para la salud se encuentran muchos que son utilizados muy frecuentemente.

Producto natural

Componentes químicos principales

Posibles efectos sobre el organismo

Ginkgo biloba

Carbohidratos (sacarosa, fructosa), ácidos (palmítico, oleico, aspártico, esteárico, cítrico), aminoácidos (arginina, cisteína, fenilalanina, isoleucina, metionina, leucina, licina, triptófano, serina), vitaminas (C y B1), flavonoides, minerales (calcio, cobre, potasio, fósforo, hierro, magnesio, sodio, zinc).

Mejoramiento de la circulación sanguínea, lo que hace que sirva contra la arterioesclerosis y la hipertensión; tratamiento para detener o retrasar la calvicie.

Contiene gingólidos, moléculas muy complejas a las cuales se les atribuyen los efectos beneficiosos.

Aloe vera (sávila)

Los componentes más importantes son polisacáridos que forman el gel y la aloína (sustancia purgante), además de aminoácidos (alanina, histidina, valina, arginina, ácido aspártico, glicina, fenilalanina), vitaminas (B1, B2, B3, B12, C, ácido fólico), betacaroteno, minerales (calcio, potasio, magnesio, fósforo hierro, zinc, manganeso, cobre, sodio).

En cosmetología como hidratante; como diurético, laxante, purgante, para abrir el apetito y mejorar las digestiones lentas, para los cólicos, las heridas, la hidropesía. Posee propiedades antiinflamatorias, cicatrizantes y antimicóticas. Ayuda en la curación de problemas gástricos, dermatitis, acné, quemaduras en la piel por el Sol y el fuego.

Ácidos (salicílico, cinámico, oxálico, nicótico, fenilacético, málico, láurico), aminoácidos (glicina, histidina, valina, arginina, leucina, niacina, lisina), alcaloides (cafeína y teobromina), polifenoles, minerales (calcio, hierro, azufre, cobre, fósforo, magnesio, potasio), vitamina C (ácido ascórbico), taninos: polifenoles (antioxidantes naturales).

Protege al hígado y ejerce una acción antiviral sobre éste; ayuda a disminuir el colesterol, fluidificar la sangre, tonificar el corazón y protege contra el infarto del miocardio o angina de pecho; útil para detener diarreas y combatir la migraña; diurético en tratamientos de obesidad; tiene propiedades bacterianas que sirven para eliminar el mal aliento y proteger la boca contra infecciones.

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Las plantas no son las únicas que poseen propiedades medicinales. Existen muchos microorganismos utilizados como fuentes de antibióticos que producen metabolitos con propiedades antitumorales, como algunos animales marinos, principalmente estrellas de mar y corales.

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Es necesario destacar que para que un compuesto (natural o no) sea bueno o perjudicial para la salud, además de su composición química, depende de factores tales como las dosis y las modalidades de empleo, su grado de pureza y, tal vez en mucho, del estado físico y/o emocional del usuario. Por ejemplo, todos conocemos los enormes beneficios y bondades del agua y la recomendación de consumir al menos ocho vasos de agua diarios. Sin embargo, tres o cuatro litros de este líquido producen envenenamiento mortal en los niños y más de veinte litros diarios en un adulto generan una secreción excesiva de orina y una propensión a la retención de cloro, lo que puede originar deshidratación celular y eventualmente la muerte, evidenciando que todo exceso es dañino. El curare es un buen ejemplo de un producto natural que puede ser un remedio y, a la vez, un veneno. Si se usa en dosis elevadas es uno de los venenos más poderosos que existen, pues paraliza totalmente los músculos y produce la muerte por asfixia. No obstante, si se emplea en dosis bajas, sirve como anestésico local y, de hecho, ha sido empleado por los cirujanos para relajar los músculos de sus pacientes en operaciones que necesitan incisiones abdominales. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo XII. La química de la vida • fascículo 39


Drogas y drogadicción Las sustancias cuyo consumo altera el organismo, producen dependencia, estimulación o depresión del sistema nervioso central o dan como resultado un trastorno en la función del juicio, del comportamiento o del ánimo de la persona se conocen genéricamente como drogas. Un gran número de seres humanos sufre los efectos de la drogadicción, los cuales se producen en el cerebro y se manifiestan en la conducta, la percepción y la conciencia, causando problemas físicos, psicológicos, sociales y financieros durante largas temporadas. Quien consume drogas presenta una imperiosa dependencia síquica de ellas que debe ser tratada con la ayuda de las distintas especialidades médicas.

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Desde la Antigüedad el hombre ha utilizado sustancias químicas de origen natural, que alteran la percepción de la realidad, con el fin de explicarse el funcionamiento del Universo o para la curación de enfermedades. Se estima que la presencia de la cannabis indica se remonta a alrededor de los 10 o 15 mil años atrás y que, desde entonces se usó en China y en India. También es sabido que los indígenas peruanos, colombianos y bolivianos usaban la hoja de coca antes de la llegada de los españoles en rituales religiosos, médicos o festivos que eran dirigidos por los chamanes. El chamán es la persona que ha desarrollado una gran capacidad espiritual para tomar contacto con realidades de tipo mágicoreligiosas y, en consecuencia, es quien tiene el poder de curar a los enfermos y comunicarse con el más allá. Se dice que su potencia es sobrenatural y su conocimiento sobre plantas medicinales le confiere un status social donde es, a la vez, guía, consejero y curandero. Las civilizaciones precolombinas de Centroamérica utilizaban un hongo, el “teonacatl” o “carne de dioses”, y un cactus, el “peyote”, que al ingerirlos producen sensaciones auditivas, visuales así como estados de depresión y euforia alternados. De igual manera, en las selvas amazónicas se utiliza, con los mismo efectos, el “yopo”, un polvo que los indios preparan para sus distintas iniciaciones. Estas prácticas constituyen el origen del uso de ciertos productos que con el tiempo se han convertido en sustancias conocidas como psicotrópicas, entre las cuales están los alucinógenos, hipnóticos, depresivos, tranquilizantes, etc. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo XII. La química de la vida • fascículo 39


Las drogas se dividen en narcóticos, como el opio y sus derivados: la morfina, la codeína y la heroína; estimulantes, como las anfetaminas, el crack y la cocaína y en alucinógenos, como el LSD, la mezcalina, el peyote, los psilocibios y los derivados del cáñamo, como el hachís. En páginas anteriores hemos visto que existen productos naturales empleados en tratamientos para diversas dolencias, pero hay otros cuyos efectos son definitivamente perjudiciales. Independientemente de esta clasificación general, es importante recalcar que las dosis en que se utilizan marcan la diferencia entre posibles efectos beneficiosos o dañinos a la salud. Un ejemplo claro es el caso del curare, ya visto anteriormente. Otro ejemplo es el del opio, una resina de uso muy extendido entre la alta sociedad del siglo XIX; de la misma se extrae un conjunto de sustancias, entre ellas la morfina que es un alcaloide que, en dosis establecidas por los médicos, ha sido empleado para aliviar dolores intensos, pero cuyo consumo en dosis elevadas produce un estado de euforia y aislamiento de la realidad, a la vez que náuseas, vómitos y, por supuesto, una fuerte adicción. Desde el punto de vista químico es importante destacar que con pequeñas variaciones de la estructura de la morfina se obtienen compuestos como la codeína y la heroína que tienen propiedades muy diferentes. La primera es utilizada como antitusígeno y produce adicción aunque en menor proporción que la morfina, mientras que la heroína es un analgésico mucho más adictivo que, al ser usado indebidamente, causa en el organismo graves problemas de salud pública que tienen repercusión mundial.

Salón para fumar opio. China siglo XIX.

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La guerra contra el tráfico de la marihuana se realiza principalmente a través la destrucción de plantaciones.

El cáñamo (Cannabis sativa L.) es un arbusto silvestre que crece en zonas templadas y tropicales, con una altura de seis metros; se usa en la fabricación de telas y cuerdas y contiene un fenol llamado tetrahidrocanabinol (THC). De él se extrae una resina, el hachís, que contiene desde 7,5 % hasta 24 % de THC. Por su parte, la marihuana común contiene entre 3 % y 5,5 % de THC. El uso de este fenol afecta a las células del cerebro encargadas de la memoria lo cual hace que la persona tenga dificultad para recordar los eventos recientes. La marihuana, al ser fumada, produce un estado de euforia que induce a la drogadicción y a una dependencia que es primordialmente psíquica. Los síntomas característicos de la intoxicación son: ansiedad, irritabilidad, temblores e insomnio.

Muertes por consumo de drogas en la ciudad de Barcelona, España.

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Otras drogas peligrosas La metilendioximetanfetamina (MDMA), normalmente conocida como "éxtasis" o "ectasi", es una anfetamina que se encuentra en plantas del género efedra que crecen en zonas de playas. Su uso estimula el sistema nervioso central y produce trastornos sicólogos como: confusión, pesadilla, insomnio, deseo incontenible de consumir nuevamente droga, depresión, ansiedad grave y paranoia. Entre los síntomas físicos pueden citarse: anorexia, tensión y trastornos musculares similares a los presentes en la enfermedad de Parkinson, náuseas, visión borrosa, desmayo, escalofrío y sudoración excesiva. La metanfetamina es una droga que acelera el sistema nervioso produciendo sequedad, irritación o inflamación en la piel, acné, aceleración de la respiración y la presión arterial, lesiones del hígado, pulmones y riñones, movimientos bruscos e incontrolados de la cara, cuello, brazos y manos, pérdida del apetito, depresión aguda y lesiones nasales cuando la droga es inhalada. En todos los países del mundo existen planes para combatir el consumo y tráfico de drogas.

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La cocaína (clorhidrato de cocaína) es un polvo blanco y cristalino que se extrae de las hojas de la coca. Proviene del árbol de la coca que crece en países de América del Sur y causa estados de fuerte euforia seguida por depresiones violentas. Los síntomas del uso de la cocaína son, entre otros, tendencias suicidas, cambios del estado de ánimo, abortos, pérdida de peso, dolores de cabeza crónicos y enfermedades respiratorias. Las señales más comunes del uso de la cocaína son: dilatación de la pupila, resequedad de la boca y la nariz, mal aliento, hiperactividad, incoherencia, sinusitis y problemas nasales. Con la pasta de coca también son elaboradas otras sustancias adictivas como crack o bazuco, que demandan el uso de fuego y solventes inflamables para ser inhalados, siendo ésta la forma más peligrosa y mortal de utilizar la cocaína.

¿Sabías que…? A la llegada de los españoles al Perú, se constató que los indígenas de más alto rango del imperio tenían el derecho divino de masticar hojas secas de un arbusto conocido hoy como el árbol de coca. Durante la Colonia, el uso de las hojas de coca empezó a extenderse entre ellos debido a que los conquistadores se las proporcionaban a quienes trabajaban en las "encomiendas" y la explotación de las minas de plata tras darse cuenta de que al masticarlas ellos comían menos y aguantaban mejor el trabajo al cual eran sometidos. Efectivamente, al masticar las hojas de coca, aumenta la resistencia al hambre y a la fatiga en las zonas altas andinas. El té o infusión de hojas de coca, es ofrecido actualmente a los turistas que visitan las alturas andinas para aliviar el “soroche” o “mal de páramo”, sin que cause efectos nocivos debido a que es muy baja la concentración de cocaína en la hoja y, por lo tanto, ingerida en forma natural no produce toxicidad grave ni genera dependencia.

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CH3 OPO3H

N

CH3

N H

Psilocibina del hongo teonocatl O H CH3

N

(C2H5)2N

H

N

Dietilamida del ácido lisérgico (LSD)

H 3C

H

Jimi Hendrix, cantante de música rock, murió por sobredosis de drogas a la edad de 28 años.

N CO2CH3

311 O O

Cocaína

HO

O N CH3

Morfina

HO H 3C

O Janis Joplin, cantante de blues, murió por sobredosis de drogas a la edad de 27 años.

O O O

N CH3

Heroína

H 3C

O

O

O

Éxtasis

CH3

NHCH3

Louis Socier, promesa de la lucha olímpica norteamericana, acabó con su vida, a los 19 años, por una sobredosis de drogas.


Manejo inescrupuloso del conocimiento: Drogas de diseño y esteroides anabólicos Las drogas de diseño son sustancias que no provienen de una fuente natural sino de reacciones químicas de laboratorio. Estas drogas son, en cierta forma, similares a los fármacos legales desde el punto de vista estructural pero, no obstante, producen los efectos dañinos de las drogas ilegales. Gran parte de las drogas de diseño son alucinógenos o narcóticos y algunos de ellos son el éxtasis (Ecstasy), también llamado MDMA (3,4-metilendioximetanfetamina), y el blanco de China (China White) o alfametilfentanilo (heroína sintética).

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Juiced, libro escrito por José Canseco, donde habla sobre varios jugadores de béisbol de las Grandes Ligas que usan o han usado esteroides, incluyéndose él.

¿Sabías que...? Entre los esteroides naturales, además de las hormonas sexuales (andrógenos y estrógenos) y las suprarrenales (cortisona, hidrocortisona), se encuentran el ergoterol, precursor de la vitamina E y el famosísimo colesterol. El colesterol presente en la sangre forma parte de estructuras complejas que contienen además lípidos y proteínas. Cuando las lipoproteínas son de alta densidad (HDL) se conocen como “colesterol bueno” y cuando son de baja densidad (LDL) como “colesterol malo”. También existen las lipoproteínas de muy baja densidad (VLDL).

Los esteroides anabólicos son derivados sintéticos de la testosterona (hormona masculina), que promueven el crecimiento del músculo esquelético, aumentan la masa magra corporal, la fuerza y la capacidad de adiestrarse por más tiempo y con más vigor. Sin embargo, pueden causar efectos dañinos a la salud como: padecimientos cardiacos, aparición de tumores hepáticos, ictericia (pigmentación amarillenta de la piel, los tejidos y fluidos corporales), casos graves de acné, temblores, retención de líquidos e hipertensión arterial. Igualmente originan, en hombres, reducción del tamaño de los testículos, menor recuento de espermatozoides, infertilidad, calvicie y desarrollo de los senos; y en mujeres, crecimiento del vello facial, cambios o cese del ciclo menstrual, aumento en el tamaño del clítoris y engrosamiento de la voz. Algunos ejemplos de este tipo de sustancias son el stanozolol, la nandrolona, el etilestrenol y la oximetolona. A pesar de que para preservar la salud de los atletas el uso de los esteroides está prohibido, los exámenes que se realizan al azar en muestras de orina o sangre de deportistas, después de haber realizado una competencia, en algunos casos continúan mostrando que siguen siendo irresponsablemente utilizados.

Depósito de muestras de orina para practicarles los análisis necesarios y determinar si el atleta utilizó o no sustancias prohibidas. Fotografía del laboratorio de las Olimpíadas Japón-Korea.

Interesante La nandrolona es un anabolizante prohibido en el deporte desde los años 80. La vía de administración habitual de esta sustancia era la intravenosa, pero luego aparecieron los denominados precursores de la nandrolona que son administrados por vía oral. Esto ocasionó que dichos fármacos también fueran incluidos en la lista de sustancias prohibidas. Sin embargo, lo que los laboratorios detectan en los análisis no es la presencia de nandrolona o sus precursores, sino los metabolitos, es decir, las sustancias que produce el hígado al metabolizarlos. La detección se hace con un análisis de orina o mediante técnicas más exactas como la espectometría de masas. Fundación Polar • ÚltimasNoticias • El mundo de la química • Capítulo XII. La química de la vida • fascículo 39


Algunos aspectos de la química en Venezuela En varios fascículos anteriores incluimos información acerca de aspectos muy puntuales de la química en Venezuela y mencionamos algunos aportes de importantes químicos de nuestro país. En este fascículo, que cierra la serie El mundo de la química, nos parece oportuno ofrecer a los lectores una visión, aunque sea muy resumida, del estado actual de nuestra química en lo que respecta a los estudios superiores, a la investigación y a la industria química. Tal como hemos dicho, un químico estudia la composición, las propiedades y la transformación de la materia. Su trabajo comprende un amplio espectro de posibilidades que va desde el análisis y síntesis de nuevos productos, la modificación de procesos químicos en una industria, el control de calidad de productos elaborados y las innovaciones tecnológicas hasta los estudios de impacto ambiental entre muchos otros. Las áreas clásicas de esta disciplina son la Química Orgánica, la Química Inorgánica, la Fisicoquímica y la Química Analítica. Sin embargo, cada vez más se tiende a prescindir de esta subdivisión por área y a enseñar que la química es una sola, es decir, que a pesar de las especializaciones, para ser un buen químico es necesario tener conocimientos de las diferentes áreas mencionadas. Por otra parte, también se imponen los estudios interdisciplinarios y así encontramos que áreas como la Geoquímica, la Bioquímica, la Química Medicinal, la Química Computacional, la Química de Alimentos, etc., constituyen oportunidades de estudio cada vez más frecuentes.


La docencia de nivel superior Las universidades Los estudios de química a nivel universitario comenzaron en Venezuela en la década de los años cuarenta con la promulgación de la Ley de Educación, la cual contemplaba la creación de las escuelas de química en las universidades nacionales. Como consecuencia de esa ley, en 1946 se creó la Escuela de Farmacia y Química en la Universidad Central de Venezuela. Al instituirse la Facultad de Ciencias de la UCV, el 13 de marzo de 1958, se fundó la primera Escuela de Química en nuestro país. Más tarde se establecieron escuelas de química en la Universidad de Los Andes, en la Universidad de Oriente, en la Universidad Simón Bolívar, en La Universidad del Zulia y en la Universidad de Carabobo, en las cuales se forman licenciados en Química, así como especialistas, magister y doctores en diferentes campos de la disciplina. En el Instituto de Ciencias de la Tierra de la Facultad de Ciencias de la UCV, se dicta la Licenciatura, la Maestría y el Doctorado en Geoquímica, y en el Centro de Química del Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas, IVIC, se ofrecen cursos de postgrado en Química a nivel de Maestría y Doctorado.

El Instituto Pedagógico de Caracas En 1936 se creó el Instituto Pedagógico de Caracas, institución pionera en la formación de docentes del país donde en 1947 entró en funcionamiento el Departamento de Biología y Química. En 1940 se le dio rango de Institución de Educación Superior, y desde 1949 se requiere cursar cinco años de estudios para optar al título de profesor de Biología y Química.

314

Desde 1986 el Instituto Pedagógico de Caracas forma parte de la Universidad Pedagógica Experimental Libertador.

Los institutos y colegios universitarios Son instituciones que dependen directamente del Ministerio de Educación; se especializan en carreras con una duración de tres años, entre ellas la de química, y confieren títulos de técnicos superiores universitarios. El primero en fundarse fue el Instituto Universitario de Tecnología “Federico Rivero Palacios”, IUT Región Capital, en el año 1971.

La investigación Venezuela cuenta con un grupo de investigadores en química que trabaja en centros e institutos de las universidades nacionales y en el Centro de Química del IVIC; ellos se dedican a desarrollar programas de investigación en áreas como, por ejemplo, Productos naturales (o Química Medicinal), Catálisis, Fisicoquímica de superficie, Química teórica y Química computacional, Fisicoquímica orgánica, Química del petróleo y petroquímica, Química de compuestos organometálicos, Polímeros, Química de alimentos, Espectroscopia y Cristalografía entre otras, con resultados que colocan a Venezuela entre los primeros cinco países de mayor investigación en química de Latinoamérica. En cuanto a la investigación tecnológica, reviste especial importancia el Intevep, un instituto de investigación y desarrollo, filial de Petróleos de Venezuela, que se creó en 1974 con la finalidad de producir investigación científica y tecnológica en el área de petróleo. Allí se han efectuado importantes aportes en investigación básica y desarrollos tecnológicos entre los cuales destaca la Orimulsión y numerosas patentes.

La industria Según datos de ASOQUIM, asociación que agrupa las empresas del sector químico y petroquímico venezolano, el país cuenta con unos 300 establecimientos en esta área que dan trabajo a aproximadamente 20 000 personas; se estima que en ellos laboran más de dos mil químicos con título de licenciados. Los principales productos de exportación provienen del sector petroquímico y entre ellos cabe mencionar: metanol, amoniaco, propileno, etilenglicol, dodecilbenceno, tripolifosfato de sodio, poliestireno, anhídrido ftálico, negro humo, etc.


Los premios A los investigadores. Los logros de los químicos que se dedican a la ciencia en el país son reconocidos con dos importantes premios: el Premio Nacional de Ciencia, que es un testimonio a la carrera de estos investigadores y el Premio Fundación Polar “Lorenzo Mendoza Fleury” que reconoce el impacto y la originalidad de los aportes científicos. Los químicos que han recibido el Premio Nacional de Ciencia, hasta el año 2005, son los doctores Werner Jaffé, Gabriel Chuchani y Roberto Sánchez Delgado. Hasta la misma fecha los galardonados con el Premio Fundación Polar “Lorenzo Mendoza Fleury” son: Heinz Krentzien, 1983; Miguel Alonso, 1985; Roberto Sánchez Delgado, 1989; Fernando Ruette y Benjamín Scharifker, 1993; Alejandro Müller, 1995; Wilmer Olivares, 1999; Vladimiro Mujica, 2001; Sócrates Acevedo y Yosslen Aray, 2003 y José Luis Paz, 2005.

Heinz Krentzien

A los jóvenes: La Olimpíada de Química. En 1983 se instauró la Olimpíada de Química en Venezuela dirigida a los estudiantes de los dos últimos años de la educación secundaria de los planteles oficiales y privados del país a nivel nacional, con los siguientes objetivos: - Detectar estudiantes talentosos de educación media y estimular su interés por el estudio de la química - Contribuir con la creación de una cultura química en la sociedad. Miguel Alonso

- Relacionar los sectores de la educación científica e industrial de Venezuela.

Venezuela en la Olimpíada Internacional e Iberoamericana de Química El objetivo de estos eventos es el de estimular el estudio de la química entre la juventud del mundo y fomentar el intercambio cultural entre los jóvenes. Desde 1996, estudiantes venezolanos de liceos y colegios, públicos y privados, participan en estos eventos con bastante éxito, tal como se aprecia en los siguientes cuadros, particularmente si se considera que en la actualidad el número de países que regularmente interviene en la Olimpíada Internacional asciende a 61, y a 7 en la Olimpíada Iberoamericana, además de que el número de participantes en la Olimpíada Internacional supera a los 200 estudiantes provenientes de países de los cinco continentes.

Roberto Sánchez

-Medallas de Venezuela y otros países en la Olimpíada Internacional de Química

País China Estados Unidos Irán Hungría Alemania Argentina México Venezuela* Cuba

Años de participación 20 20 12 36 34 9 13 12 20

Oro

Plata

Bronce

33 18 18 16 13 6

8 19 16 18 22 7 5 4 1

3 10 12 10 10 20 15 8 8

Período 1996-2004 Mención Total honorífica 44 47 46 44 1 46 2 35 8 28 6 18 1 10

Benjamín Scharifker

* Premio Especial a la Mejor Prueba Experimental (2003), logrado por primera vez por un país iberoamericano.

Medallas de Venezuela y otros países en la Olimpíada Iberoamericana de Química (1995-2004)

País Argentina Cuba México Venezuela Brasil España Uruguay

Años de participación 10 10 10 10 9 9 8

Oro

Plata

Bronce

12 9 9 2 2 2 1

15 7 17 8 13 8 -

7 2 11 16 18 2 2

Mención Total honorífica 34 18 37 2 28 33 1 13 10 13

Wilmer Olivares

Sócrates Acevedo

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Índice Capítulo I. Introducción • Presentación • ¿Por qué el mundo de la química?

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Capítulo II. De lo macro a lo micro • ¿Qué tienen en común los materiales? 9 • Materia y química. Los estados físicos de la materia 10 • Estructura y propiedades 11 • Los cambios de estado físico 11 • Cambios de estado físico al servicio del hombre 12 • Sólidos no tan "solidos" 12 • Líquidos no tan "líquidos" 13 • ¿De qué están hechos los materiales? 13 • Apoyo didáctico. ¿Qué es una partícula? 14 • De nuevo el atomismo... pero por la vía experimental... o por la fuerza de la evidencia 15 • Dalton y las bases de la Teoría Atómica 15 • Los primeros cambios a la Teoría Atómica de Dalton: Átomos y moléculas 16 • La existencia de átomos: Un excelente recurso explicativo 17 • ¿Después de Dalton qué? 19 • La naturaleza eléctrica de la materia 20 • El electrón: La primera evidencia de la "anatomía" del átomo 21 • Adiós al átomo indivisible 21 • Modelos atómicos 22 El modelo atómico de Dalton 22 El modelo atómico de Thomson 22 El átomo no será compacto nunca más 23 • El micromundo tiene sus propias leyes 24 • Representaciones del átomo 25 • ¿Partícula u onda? ¡Partícula y onda! 29 • ¿Son iguales los orbitales de un átomo? 30 • ¿Cómo se "ubican" los electrones dentro de un átomo? 31 • ¿Y cómo es el núcleo? 31 • La caída del último postulado de Dalton. Isótopos 32 • Arístides Bastidas 33 • Partículas y más partículas 35 • Zoológico de partículas 36 • Murray Gell-Mann 37 • ¿Cuán grandes son el núcleo y el átomo? 38 • Micro y macromundo: Dos realidades estrechamente relacionadas 38 • Nanoestructuras 39 • Isaac Asimov 39

Capítulo III. Elementos químicos • ¿Cuán abundantes son los elementos químicos? • El origen de los elementos químicos • Concepto de elemento químico a través de la historia • Metales, no metales y semimetales • Venezuela, país rico en minerales • Principales recursos minerales de Venezuela • Nombres y símbolos de los elementos químicos • La tabla periódica • Desarrollo histórico de la tabla periódica • La tabla periódica a través de su historia • Orden en el caos: Se organizan los elementos en la tabla periódica • Organización de los elementos en la tabla periódica

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• Propiedades periódicas • Comportamiento de los elementos: Propiedades periódicas • Potencial de ionización • La síntesis de elementos artificiales • Descubriendo los fenómenos radiactivos • ¿Qué es y de dónde viene la radiactividad?

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Capítulo IV. Los compuestos químicos • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •

Los compuestos químicos Los nombres de los compuestos Denominando compuestos químicos Nombres comunes, triviales o vulgares, ¿cuál es la mejor forma de llamarlos? IUPAC: Una organización que supervisa el lenguaje de la química ¡Juntos y separados! Enlace químico Enlaces covalentes Enlace iónico Enlaces intermoleculares Mezclas y disoluciones Clasificando mezclas y disoluciones Mezclas y disoluciones iguales o diferentes Influencia de la temperatura y la presión en la solubilidad Concentración de las disoluciones Reacciones y ecuaciones químicas Elementos y compuestos, ¿cómo se comportan? Metales alcalinos y alcalino-térreos Los halógenos Uso trágico del cloro Gases nobles

66 67 68 69 69 70 72 73 74 75 76 77 78 79 80 82 83 84 84 85

Capítulo V. Los productos químicos • Elementos en materiales manufacturados • Gustavo Ascanio • ¿Cómo sabes que has tenido un encuentro con la corrosión? • Los aceros • El aluminio • Aluminio y metalurgia • Ácido sulfúrico (H2SO4): El rey de los productos químicos • Ácido fosfórico (H3PO4) • Ácido nítrico (HNO3) • El amoníaco (NH3) • El óxido nítrico: Un compuesto importante para muchas funciones fisiológicas • Abonos nitrogenados • La química en la agricultura del siglo XIX en Venezuela • Las dos caras del Proceso Haber • El cemento • Óxido de calcio • Los productos cerámicos y el vidrio • Nomenclatura de los productos químicos inorgánicos • Sistemas de nomenclaturas para sustancias inorgánicas • Flujograma para nombrar algunos compuestos inorgánicos

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Capítulo VI. Las transformaciones químicas • Del Universo al Sistema • Un mundo de moléculas • Visión cualitativa de la correlación macro-micro. La clave: Su indispensable estructura • Las fórmulas químicas • Visión cuantitativa de la correlación macro-micro. La clave: Su prodigioso mol • Cantidad de materia y cantidad de sustancia: Dos propiedades diferentes pero relacionadas • El nivel microscópico: Asignación de masas a los átomos y a las moléculas • El nivel macroscópico: Masas molares • Misión de las moléculas: Cambiar en busca de la estabilidad • Ley de Conservación de la Masa • Medir y cuantificar, ¿para qué? • Ley de las Proporciones Definidas • Ley de las Proporciones Múltiples • Ley de los Volúmenes de Combinación • Joseph Louis Gay Lussac • Ley de Avogadro • Amadeo Avogadro • Igualando o balanceando ecuaciones • ¿Se cumplió eficazmente la misión de las moléculas? • Del papel a la realidad • La energía asociada con las reacciones químicas • Combinando ecuaciones termoquímicas • Transferencia energética entre reacciones • Energía de activación • Los valiosos catalizadores • Imprescindibles enzimas • Mientras más concentrado, más rápido • La condición de estado estacionario • Estado de equilibrio • ¿Es importante conocer los términos relacionados con las transformaciones de la materia? • ¿Qué decir de la energía de activación?

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Capítulo VII. El agua y su mundo • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •

Importancia del agua 146 El planeta azul y el color del agua 147 El ciclo del agua 148 Henry Cavendish 148 ¿Qué tipo de compuesto es el agua? 149 El puente de hidrógeno y el agua 150 El agua es un regulador térmico muy estable 151 Agua: Un solvente como pocos 152 Más sobre soluciones de gas en líquido 153 ¿Qué es el agua dura? 154 ¿Conduce el agua la corriente eléctrica? 155 El pH, ¿qué es? 156 Conozcamos los ácidos y las bases 157 Los conceptos de ácido y base 158 Relatividad de la acidez y la basicidad 159 Steve August Arrhenius 159 Reacción en solución acuosa 160 Titulación: Un método de análisis 161 Indicadores: ¡Colores muy útiles! 161 Indicador de repollo morado 162 Problemática y conservación del agua 163 Tratamientos del agua 164 La ONU y el agua 165


• Embalses y represas en Venezuela • El agua en nuestras vidas • Personajes de la ciencia venezolana: Ignacio Rodríguez-Iturbe

166 167

170 170 171

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172

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Capítulo VIII. El carbono: Vida y energía • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •

El elemento carbono en la naturaleza Humberto Fernández Morán El carbono, ¿dónde lo encontramos? Química orgánica: La química de los compuestos que contienen cadenas de carbonos ¿Qué hace que los compuestos de carbono sean tan abundantes en la naturaleza? Esquema del proceso de hibridación sp3 Orbital híbrido sp2: La molécula de eteno Orbital híbrido sp La gran familia del carbono con todos sus integrantes Linus Pauling Familias químicas según el tipo de átomo con el que se combina el carbono Reacciones en los compuestos orgánicos Los alcanos Alquitrán Nomenclatura: Un mismo idioma para todos Reglas IUPAC para nombrar los alcanos Propiedades de los alcanos Los aliados de la limpieza Iguales... pero diferentes: Isómeros ¿Qué isómero le pones a tu carro? Reactividad de los alcanos Clorofluorcarbonos y la capa de ozono Alquenos y alquinos Se parecen pero no hay que confundirse Los alquenos promueven la creación de gigantes Propiedades de alquenos y alquinos Compuestos orgánicos aromáticos Hidrocarburos bencénicos ¿Y cómo se llaman los bencénicos? Aromaticidad Productos de reacciones de sustracción aromática Compuestos orgánicos oxigenados Un alcohol simple y peligroso Siempre evitar el exceso Poli-alcoholes Un explosivo salvavidas Alfred Nobel Premio Nobel de Química 2004 Funciones aldehído y cetona Función carbonilo en la vida diaria Moléculas medicinales que se miran en el espejo Fotosíntesis: ¡Larga vida sobre la Tierra! Carbohidratos: La función carbonilo con un compromiso energético La química es importante en nuestra dieta Los medidores de glucosa en la sangre Sacarosa: La dulzura se sostiene sobre un aldehído y una cetona Ácidos carboxílicos El medicamento más famoso del siglo XX: La aspirina Compuestos nitrogenados William Perkin Proteínas: El soporte del cuerpo Una llave para cada cerradura: Enzimas

Capítulo IX. La química de todos los días

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Colorantes que nos rodean... Pero, ¿qué es el color? Clasificación de los colorantes Fijando color en la fibra Colorantes de alimentos Los champúes Colorantes de cabello Cosméticos: Química al servicio de la belleza y estética El maquillaje para realzar la belleza El perfume: Fragancia que nos hace inolvidables El flúor, elemento más electronegativo, tiene la misión de proteger los dientes contra la caries Protectores y bloqueadores solares: Barreras benéficas para la piel El órgano más grande del cuerpo tiene sed ¿Qué es el papel? La tinta sobre la piel: Los tatuajes Un truco de magia: Tinta invisible Saponificación y jabón Detergentes, limpiadores El "blanco" sinónimo de pureza y limpieza: Blanqueadores Ácidos y bases también son aliados en la limpieza ¿Sabías que un éter mantiene la ducha siempre limpia? Insecticidas Alimentos Ya no necesitaremos yuca para obtener almidón Algunas "curiosidades" de los alimentos Conservación de alimentos Pasteurización y evaporación Louis Pasteur Enlatado de alimentos La irradiación: Un método de conservación de los alimentos La cocción de alimentos ¿Tienes fuego? Prometeo le robó el fuego a los dioses para dárselo al hombre ¿Cómo cocinamos los alimentos? El horno de microondas El fuego Los chips, antepasados de los nanomateriales

209 210 212 213 214 217 218 219 219 220

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Características de un polímero Plásticos Tipos de plásticos ¿Sabías que la madera puede ser plástica? Karl Siegler y Giulio Natta Vulcanización: El hule sintético Otros polímeros Poliamidas Aramidas ¡Música maestro! Los bebés se mantienen secos gracias a los poliacrilatos El petróleo y el medioambiente Contaminación Desechos plásticos inundan la Tierra

262 263 263 265 265 266 267 267 267 268 268 269 270 271

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Capítulo XI. La indispensable energía

222 223 226 226 227 228

• • • • • • •

230 230 231 232 233 233 234 236 238 238 239 239 240 241 241 242 243 244 246

Capítulo X. Petróleo: Química e industria • Origen de un maravilloso recurso • Petróleos de Venezuela S.A. (PDVSA) • Organización de Países Exportadores de Petróleo (OPEP) • El padre de la OPEP: Juan Pablo Pérez Alfonzo • Constitución química del petróleo • Tipos de petróleo • El crudo no es sólo líquido • Procesos involucrados en la actividad petrolera • El viaje del petróleo • Barril de petróleo • Octanaje de la gasolina • Destilación • Intevep • Petróleo + química = petroquímica • Pequiven • Productos petroquímicos • Los polímeros

• • • •

250 251 251 252 253 254 255 255 257 257 257 258 259 260 260 261 261

• • • • • • •

Materia y energía La energía del Universo se conserva ¿Dónde se origina la energía interna? ¿En qué sentido ocurren los cambios? La entropía del Universo aumenta El Sol, fuente primaria de energía El núcleo atómico: Cantera ilimitada de energía Utilización de combustibles fósiles Energía térmica Utilizando la luz recién llegada Fuentes de energía Interconversión entre energía química y energía eléctrica Las reacciones redox Energía eléctrica y trabajo a partir de la energía química

274 275 275 276 277 277 278 280 282 283 285 286 286 287

Capítulo XII. La química de la vida • La química corporal en construcción: Desde elementos hasta compuestos 290 • Combustible de tu cuerpo: Una cuestión de energía 292 • ¿Grasa o celulitis? 293 • Química que salta a la vista: Proteínas del cabello y de la piel 294 • Transformaciones químicas en tu interior 295 • La constancia corporal 298 • ¿Qué tan importantes son los ácidos y las bases en nuestro organismo? 299 • Sustancias extrañas en el organismo: ¿Qué hace la química corporal para ayudarte? 301 • Química para curar enfermedades 302 • Las alergias 302 • Drogas que curan y otras que pueden matar 303 • Mecanismos de acción general de los fármacos 304 • Productos naturales, ¿son todos beneficiosos? 306 • Drogas y drogadicción 308 • Otras drogas peligrosas 310 • Manejo inescrupuloso del conocimiento: Drogas de diseño y esteroides anabólicos 312

Capítulo XIII. • Algunos aspectos de la química en Venezuela • La docencia de nivel superior • La investigación • La industria • Los premios • Fe de erratas • Bibliografía • Tabla periódica (versión corregida)

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313 314 314 314 315 318 319 320


Fe de erratas Pág. 4 19 19

20 29 25 32 36 41 51 61 64 68 71

Dice o muestra 10-15 Índice Flechas que representan las presiones ejercida y opuesta aparecen iguales en las figuras inferior y superior tira de zinc (cátodo) tira de cobre (ánodo) ...triunfó la concepción de la luz como partícula ...núcleo (como el presentado)

Debe decir o mostrar 10-15 Índice o medio Flechas que representan las presiones ejercida y opuesta deben ser mayores en las figuras inferior que en la superior

tira de zinc (ánodo) tira de cobre (cátodo) ...triunfó la concepción del electrón como partícula ...nucleo, pues las órbitas dibujadas asemejan la ilustración al modelo Bohr. ...Z y se escribe a la derecha... ...Z y se escribe a la izquierda... Eliminar la leyenda de la aniquilación de un electrón y un positrón (En el gráfico) L (En el gráfico) Li (En el texto) Mg+2, Ca+2, Cl-1 (En el texto) Mg2+, Ca2+, Cl1Tabla periódica presenta varios Utilizar la tabla periódica que está en errores la página 320 de este fascículo Marie y Pierre Curie (1859-1906) Marie Curie (1867-1904) y Pierre Curie (1859-1906) PBI2 PbI2 Los iones (CO3)-2 y Na+1 Los iones carbonato (CO3)2- y sodio Na1+ S

S O

O O

O

O

O O

72

73 76 77 78 80

O

(En eld ibujo) Se dibujaron los átomos de O más peque ños que los de C los de Cl más pequeños que los de C °K ml (En la figura) aparecen- intercambiados los iones Cl y + Na (En el gráfico) KCL O

Los átomos de C, N y O son de tamaño parecido, los de H menores que los anteriores y los de Cl son mayores que los anteriores. K mL Los iones - grandes (en color verde) son Cl y los pequeños (en color gris) + son los de Na (En el gráfico) KCl O

N

N

O

O

– O

+

O

K

81 83 86 87 96

+ K

...demuestra que es 468u Ba2O2 Peróxido de bario pCi/l Davy Faraday

97 SO2(g) + O2(g) 97 1 834k/m3 99 1,83g/l 100

2SO3(g)

100 NO3Na + H2SO4 ... Na2SO4(s) 102 ... NH3 + CaCl2 +H2O 104 En la figura (dos veces) ácido nítrico 104 NO + O2 ONOO 105 En la figura NO3

...demuestra que es 493u BaO2 Peróxido de bario pCi/L Humphry Davy

2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g) 1 834kg/m3 o 1,834kg/dm3 1,83kg/L o 1,83kg/dm3 o 1,83g/cm3

2NaNO3 + H2SO4 Na2SO4(ac) ... 2NH3 + CaCl2 +H2O En la figura (dos veces) óxido nítrico NO + O2ONOO NO3

Pág. Dice o muestra 107 CaOH2 y AlOH3 119 ...el hecho de que el número de sustancias... 2 120 Cl 122 Aquí puedes ver seis moléculas de colocadas a tal distancia (estado gaseoso) como para interactuar entre sí 127 ...oxígeno x 48g de oxígeno.. ...oxígeno x 3 átomos de... ...oxígeno x 3mol de átomos... 132 (En la figura) Hay cuatro moléculas de C4H10 152 ...pues el primero es polar y el segundo no 154 (En la tabla) g de sal/100 g de agua + 155 H (ac) = OH (ac) = (KW) =1,0x10-7mol/L 158 BF3 + NH3 169 Mohs 171 6,0 m/L 171 6 molar 172 En la tabla: 12C 6 100 173 MHZ 175 En la figura CH4 + 2O2 = 2H4 + CO2 182 ...cuando los átomos presentes tienen valores de electronegatividad 182 °K 182 Peso molecular 187 CH2CHCl 188 sp2 y sp3 198 ...¿qué es la estreoquímica? 198 ...moléculas aseimétricas 207 (En la figura) Se forman dos moléculas de agua 210 (ver fascículo N° 20) 212 (ver fascículo N° 21) 230 ...hidróxido de amonio (mal llamado amoníaco) 237 ...cuya temperatura es de –196°C 237 fluorcarbonados... hidrofluorcarbonados 245 ...sustancia muy ionizante 258 ...diferentes puntos de 263 C6H6(COOH)2 :[-CH2-CH2] 264 (CH2CHCl)n :[-CH2-CH2]n -CH2-CH2-CH3n 274 U es igual a q + w 275 E = U EU = 0 275 …pero si el valor de U 286 (En la figura) Hay tres iones NO3representados en la disolución 287 ...en todas ellas los átomos de carbono son reducidos por…

Debe decir o mostrar Ca(OH)2 y Al(OH)3 ...el hecho de que el número de entidades ... Cl2 Aquí puedes ver seis moléculas de agua colocadas a tal distancia (estado gaseoso) como para que no puedan interactuar entre sí ...oxígeno / 48g de oxígeno... ...oxígeno / 3 átomos de... ...oxígeno / 3mol de átomos... (En la figura) Deben aparecer dos moléculas de C4H10 ...pues el segundo es polar y el primero no (En la tabla) mg de sal/100g de agua + [H ] = [OH ] =

KW = 1,0x10-7mol/L

BF3 + :NH3 Mohr 6,0 mol/L 6,0 mol/L 12C 6 98,9 MHz CH4 + 2O2 2H2O + CO2 ...cuando los átomos presentes tienen valores muy diferentes de electronegatividad K Masa molar -CH2CHClsp2 a sp3 ...¿qué es la estereoquímica? ...moléculas asimétricas (En la figura) Se forma una molécula de agua (ver fascículo N° 24) (ver fascículo N° 26) ...amoníaco (mal llamado hidróxido de amonio) ...cuya temperatura de ebullición es de –183°C fluorocarbonados... hidrofluorocarbonados ...sustancia muy ionizable ...diferentes puntos de ebullición. C6H4(COOH)2 CH2=CH2 CH2= CHCl CH2=CH2 CH2= CH-CH3 ∆U es igual a q + w ∆E = ∆U ∆EU = 0 …pero si el valor de ∆U Debería haber cinco iones NO3representados en la disolución ...en todas ellas los átomos de carbono son oxidados por…

Esta fe de erratas se ha realizado con las observaciones emitidas por: • Eliseo Silva Bello (Equipo de “El mundo de la química”). • Guillermo Lehrmann (Asesor en Química de Formulaciones Industriales, Profesor de Química Orgánica UCV). • José Correa (Cátedra de Química, Institutos Educacionales Asociados). La tabla periódica que apareció en el fascículo 7 fue corregida y mejorada gracias a: • Centro de Estudiantes de la Escuela de Química de la Universidad Central de Venezuela. • La profesora María Teresa Cúnico de Linares y los alumnos Sergio Boccitto, Natalie De Abreu, Anabella Gabaldón, Mirari Sierra y Roberto Patiño del noveno grado del Colegio San Ignacio de Loyola (Caracas). Agradecemos la celeridad y eficiencia de Zulema Lama, Taylin Aparcedo y Gitty Araujo de La Cadena Capriles ya que se pudo imprimir un volante con la tabla corregida en el menor tiempo posible, y encartarse en el referido fascículo 7. Dicha tabla la repetimos al final de este fascículo. Agradecemos que nos envíen sus opiniones y observaciones a ciencia@fpolar.org.ve ya que pueden ser incluídas en la versión electrónica que está disponible en: http://www.fpolar.org.ve/quimica

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Bibliografía general American Chemical Society. (1998). Quimcom. (2ª ed.). México: Adisson-Wesley Iberoamericana. Acosta, V.; Cowan, C. y Graham, B.J. (1975). Curso de Física moderna. México: TEC-CIEN, LTDA. Asimov, I. (2000). Breve historia de la química. (1ª rev.). Madrid, España: Alianza Editorial. Asimov, I. (1992) El átomo. Colección Muy interesante. Madrid, España: Plaza & Janés, S.A. Babor, J.A. y Ibarz, J. (1979). Química general. (8ª ed.). Barcelona, España: Manuel Marín. Ball, P. (1994). Designing the Molecular World. New Jersey: Princeton University Press. Batlle, J. y Gumuzzio, J. (1985). La química, ciencia de la materia y el cambio. (1ª re.). España: Salvat Editores, S.A. Brown, T.; LeMay, H. y Bursten, B. (1998). Química: La ciencia central. (7ª ed.). México: Prentice Hall. Bruice, P.Y. (2003). Organic Chemistry, Prentice Hall, New Jersey, 4ª ed. Burk, I. (1962). Introducción a los problemas de los átomos. Caracas: Fundación Shell. Chang, R. (1992). Química. (4ª ed.). México: McGraw-Hill. Chisholm, J. y Johnson, M. (1985). Introducción a la química. España: PLESA. Cotton, F.A. y Wilkison, G. (1971). Química inorgánica avanzada. (1ª re.). México: Limusa-Wiley, S.A. Díaz, M. y Roig, A. (1972). Química física. Madrid, España: Alambra. Enciclopedia Microsoft® Encarta® 98. Microsoft corporation. FEIQUE (2002). La química y la vida. España. Gaarder, J. (2002). El mundo de Sofía. (50ª ed.). Madrid, España: Siruela. Giacomoni, Paolo (ed.) (2001). Sun Protection in Man. Comprehensive Series in Photosciences, vol. 3. Editores: Donat- Peter Häder y Giulio Jori. Editorial Elsevier Sciece B.V. Amsterdam. Hill, J. y Kolb, D. (1999). Química para el nuevo milenio. (8ª ed.). México: Prentice Hall. Hudson, J. (1992). The History of Chemistry. (1ª ed.). New York: Chapman & Hall. Huheey, J. (1992). Química inorgánica: Principios de estructura y reactividad. (2ª ed.). México: Harla. International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) Physical Chemistry Division. (1993). Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry. (2ª ed.). Inglaterra: Blackwell Science.

Irún, I. y Acero, M. (1985). La energía del átomo. España: Salvat Editores, S.A. Kieffer, W. F. (1963). Concepto de mol en química. Madrid: Selecciones Científicas. Larralde, O. de y Hernández, L. de (sf). Dificultades en la interpretación del concepto de mol. Caracas: Cenamec. Levine, I.N. (1996). Fisicoquímica. (4ª ed.). España: Mc Graw Hill. León, I. (2000). La química nuestra de cada día. (1ª ed.). Barcelona, España: Plaza & Janés, S.A. Mahan, B.M. y Myers, R.J. (1990). Química Curso universitario. (4ª ed.). Argentina: Addison-Wesley Iberoamericana. Maron, S.H. y Prutton, C.F. (1973). Fundamentos de fisicoquímica. México: Limusa-Wiley, S.A. Marroum, R.M. (1996, mayo). Liquid Crystal Inquiries. The Science Teacher. Masterton, W.L., Slowinski, E.J. y Stanitski, C.L. (1986). Química general superior. México: Nueva Editorial Interamericana. McEvoy, J.P. y Zárate, O. (1998). Teoría cuántica para principiantes. Buenos Aires, Argentina: Era Naciente. Mortimer, C. (1983). Química. (5ª ed.). México: Grupo Editorial Iberoamérica. Parry, R.; Steiner, L.; Tellefsen, R. y Dietz, P. (1973). Química. Fundamentos experimentales. Barcelona, España: Rverté, S.A. Pauling, L. (1961). Química general. (6ª ed.). Madrid, España: Aguilar. Pilar, F. (1968). Elementary Quantum Chemistry. New York: McGraw-Hill. Rivas, J.C. (2004, abril-mayo). Nanotecnología, al umbral de una nueva era. Nexos. Roche, M. (1987). Mi compromiso con la ciencia. (1ª ed.). Caracas, Venezuela: Monte Ávila Editores. Salters Advanced Chemistry. (1994) Chemistry Storylines. Londres: Heinemann. Smith y Kendall, J. (1946). Química general. (3ª ed.). Barcelona, España: Editorial Marín. Strathern, P. (1999). Bohr y la Teoría Cuántica. (1ª ed.). Madrid, España: Siglo XXI de España Editores, S.A. Trejo, M. (2000). La estructura del átomo. (4ª re.). México: Publicaciones Cultural. Wade, L.G., Jr. (2003). Química orgánica, Ed. Prentice Hall Interamericana, 5ª ed. Madrid. Zumdahl, S. (1992). Fundamentos de química. (1ª ed.). México: McGraw-Hill. http://www.nobelprize.org http://www.wikipedia.en.org

Los autores Eliseo Silva Bello. Profesor Titular de Biología y Química, Instituto Pedagógico de Caracas. Maestría en Fisicoquímica por la Universidad de Illinois, EE.UU. Miembro de la cátedra de Fisicoquímica del IPC 1970-1995 y Jefe de cátedra en dos ocasiones; subdirector de Docencia; Coordinador Académico del Departamento de Biología y Química; Padrino de siete promociones. Diana Hernández de Szczurek. Profesora de Química y Ciencia General, IPC-UPEL. Maestría en Química Inorgánica, Universidad de Indiana, EE.UU. Miembro del Comité de la Olimpíada de Química Nacional e Internacional. Ganadora del Premio CONABA. Rafael Pujol. Egresado del Instituto Pedagógico de Caracas en la Especialidad de Química y Ciencia General; Maestría en Química por la Universidad de Oklahoma, EE.UU. Profesor Titular de la Universidad Pedagógica Experimental Libertador-Instituto Pedagógico de Caracas. Jefe del Departamento de Biología y Química UPEL-IPC. Nieves Canudas. Profesor Asociado de la Universidad Simón Bolívar. Licenciado en Química, USB; M.Sc. en Química, USB; Doctor en Química Universidad Politécnica de Valencia, España, 1994. Coordinadora de la Licenciatura y Postgrado en Química de la USB. Amalia Torrealba Sanoja. Licenciada en Química, UCV. Profesora de Química adscrita al Programa de Olimpíadas de Química; Miembro del Comité de la Olimpíada Iberoamericana. Representante por Venezuela del Centro Internacional de Enseñanza de la Química. Presidenta de la Asociación Venezolana de Olimpíadas de Química. Vanesa Landaeta. Licenciada en Química, USB. Doctora en Ciencias, Mención Química, IVIC. Postdotorante Istituto di Chimica dei Composti Organometallici (ICOM-CNR), Florencia, Italia. Loengrid Bethencourt. Licenciada en Química, USB, 2003. Estudiante de la Maestría en Química de la USB. Profesora Instructora de la Universidad Pedagógica Libertador-Instituto Pedagógico de Caracas. Emiliano Zapata. TSU en Química, IUT “Federico Rivero Palacios”, 1992. Licenciado en Química por la UCV. Profesional Enlace CENAMECUSB para la Olimpíada Nacional e Internacional de Química. Profesor Asistente a dedicación exclusiva IUT.-“Dr. Federico Rivero Palacio”. Claudio Bifano. Doctor en Química, Universidad de California, EE.UU. Profesor Titular de la Facultad de Ciencias de la UCV. Individuo de Número de la Academia de Ciencias Físicas, Matemáticas y Naturales. Presidente de la Sociedad Venezolana de Química. Rogelio Chovet. Arquitecto, UCV, 1978. Instructor de programas para diseño gráfico (Adobe® y Macromedia®). Diseñador gráfico e ilustrador de diversas publicaciones.

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1 *[1s]

2 *[2s 2p]

3 *[3s 3p]

4 *[4s 3d 4p]

5 *[5s 4d 5p]

6 *[6s (4f) 5d 6p] 7 *[7s (5f) 6d]

Subnivel s 1-2 *[ns ]

1 1 ±1

Metales alcalinos 1,008 2,1

2

El mundo de la química

1,008 2,1 -259,2

H 0,37

±1

1

Radio atómico (Å) o Radio covalente (Å) o Radio iónico (Å)

2

ns ]

Metaloides

Número de oxidación (Valencia)

Número atómico

Tabla Periódica Masa atómica Electronegatividad Punto de fusión (ºC)

Hidrógeno

Gases

1-10

10

11

12 1,28 419,5

Zn Zinc 47 112,40

16

Chalcógenos

17

Halógenos

Subnivel p (excepto el Helio) 2 1-6 *[ns p ]

15

Yb

69 173,04

2,3 1,1

1,74 824

18

He

Xe

53 131,30

-71

Rn

2

0

0

1,31

0

18

1,74

0

36

0

54

2,09

0

86

2,14

Xenón

1,33 -111,9

85 222

- -

3

71

1,74

Radón

Lu

70 174,97

2,3 1,2

Lr

-

-

103

Lutecio

1,92 1652

Iterbio

102 262,00

- -

Laurencio

- -

10

0,93

Gases nobles

4,00

-

Ne

Helio

-269,7

17 35,95

Ar

Neón

0,72 -248,6

-1 -

9 20,18

Pricógenos

8 18,99

F

-2 4,0

16 35,45

0,73 -219,6

O

0,92 -218,8

Flúor

15 32,06

±2,4,6 3,0

35 83,80

Argón

0,99 -189,4

±1,3,5,7 -

Oxígeno

±3,1,2,4,5 3,5

7 15,99

14

6 14,01

±4,2 3,0

0,91 -218,8

N

Familia del carbono

C

13 5 12,01 3 2,5 0,98 3727

14 30,97

Carbono Nitrógeno 13 28,08

±3,5 2,5

Cl

4 2,1

Cloro

3 1,8

S

34 79,91

1,02 -101,0

Azufre

Tm

Tulio

No

101 259,00

- -

- -

1,89

Kr

52 126,90

1,14 -157,3

Br

51 127,60

1,40 -7,2

Kriptón

±2,4,6 2,8

Se

Bromo

1,39 217

Selenio

±3,5 2,4

33 78,96

1,28 119

P

1,37 817

4 2,1

32 74,92

1,32 44,2

Fósforo

1,43 1410

31 72,59 3 1,8 1,41 937,4

50 121,76

Germanio Arsénico 49 118,69

I

±1,3,5,7 -

Yodo

±2,4,6 2,5

Te

±3,5 2,1

Teluro

2,4 1,9

Sb

84 210,00

1,60 113,7

Antimonio

1,38 449,5

Sn

83 210,00

4,6 2,0

At

- -

Md

Mendelevio Nobelio

- -

1,76 302

Po

Astato

3,5 2,0

Bi

Polonio

Fermio

100 258,00

1,75 1545

3 1,2

68 168,93

1,70 254

Bismuto

No metales

1,75 271,3

1-2

ns ]

67 167,26

Er

Metales

2,4 1,9

82 208,98

1,62 630,5

Estaño

Pb

66 164,93

1-10

Plomo

1,71 327,4

1,3 1,9

81 207,19

1,66 231,9

3 1,8

±1,3,5,7 -

Si

65 162,50

As

Silicio

In

64 158,93

3 1,2

- - -

Fm

99 257,00

Erbio

1,76 1497

Ho

3 1,2

3 - -

Es

98 254,00

1,77 1461

Dy 1,77 1407

Holmio

3,4 1,1

Ge

Al

Ga

Aluminio

660

30 69,72 2 1,6 1,38 29,8

Galio 48 114,82

Indio

2 1,7

Cd

Tl 112

1,57 303

Hg

1,2 1,8

80 204,37

1,54 156,6

Cadmio

1 1,7

B

Familia del boro

2030

Boro

10,81

Líquidos

9 27 58,71

29 65,37

4

Sólidos

8 26 58,93

46 107,87

63 157,25

3 1,2

Disprosio 97 251,0

Cf

Californio Einstenio

- -

3, 4 -

Berkelio

Bk

96 247,00 3 - -

(n-1)d

Talio

1,44 -38,4

111

Uub

Ununbio 1-14

Mercurio

1,3 1,9

79 200,59

1,44 320,9

Cobre

1,24 1083

Ni

2,3 1,8 1,25 1453

Co

2,3 1,8 1,26 1495

Níquel 45 106,40

Au Oro

Uuu

1,2 1,6

26,98

7 25 55,85

Subnivel d • elementos de transición * [(n-1)d

6 24 54,94

1,26 1536

Cobalto 44 102,91

Cu

12

5 23 51,99

2,3,4,6,7 1,8

43 101,07

Ag

2,4 1,9

Plata

2,3,4,6 2,2

Pd

2,3,4,6,8 2,2

Paladio 2,4 2,4

1,38 1063

110

Platino

Uun

78 196,97

1,37 960,8

Rh

109

1,36 1769

2,3,4,6 2,2

77 195,09

1,34 1552

Rodio 76 192,20

1,34 1966

Ru 1,36 2500

75 190,20

108 266

1,35 2454

Ir

2,3,4,6,8 2,2

Os

Iridio

1,37 3000

2,4,6,7 2,2

Osmio 107 265

Pt

Rutenio

7 2,2

28 63,54

2,0

4 22 50,94

2

3 21 47,90

1,27 1245

42 97,00 2,3,4,5,6 1,9 1,39 21,40

74 186,20

Molibdeno Tecnecio 73 183,85

1,39 3180

2,3 1,9

1,5

1,60

20 44,96

2,3,4,5,6 1,5

Fe

2,3,4,5 1,8

41 95,94

1,34 1875

Mn

2,3,4,5 1,6

Cr

40 92,91

1,47 1900

V

2,3,4 1,6

Ti

Hierro

1,62 1668

Sc

Manganeso

2 1,3

Cromo

1,97 1539

Vanadio

39 91,22 2,3,4 1,6

Nb

3 1,4

Niobio

1,46 2610

Zr 72 180,95

1,60 2468

Circonio

1,80 1852

57 178,49

2,3,4,5,6 1,9

Re 1,46 3410

W

2,3,4,5 1,7

Ta

Renio

Une

Mt

106 262,12

Uno

Hs

105 263,12

Uns

Bh

104 261,12

1,58 2996

Wolframio

2,3,4 1,53

Hf

Tantalio

1,87 2222

3 1,3

Tc

Titanio

38 88,91

La

Hafnio

Unh

Sg

62 151,96

95 247,00

1,79 1356

Tb

2,3 1,1

Gd 94 243,00

2,04 1312

Eu

Terbio

2,3 1,0

Gadolinio 93 242,00

1,66 826

Sm

Europio

3 1,1

61 150,35

Subnivel f • elementos de transición interna * [(n-2)f

Meitnerio Ununnilio Unununio

Seaborgio

92 237,05

Samario

1,83 1070

Hassio

Ha***

Pm

60 147,00 3 1,82 1027

Bohrio

Hahnio

Nd

59 144,24 3,4 1,2 1,82 1024

91 238,03

Cm

3,4,5,6 -

Curio

3,4,5,6 -

Am

3,4,5,6 1,2

Americio

3,4,5,6 1,3

Pu

5 1,7

Plutonio

1,06 -

Np

1,63 -

Neptunio

1,56 640

U

1,56 637

Uranio

1,63 1132

Pa 1,82 1230

Protactinio

3 1,5

90 231,00

Praseodimio Neodimio Promecio

1,81 935

3,4 1,1

58 140,91

Rf**

Ce

140,12 1,1 795

Cerio 232,04 1,3

Th Torio

1750

Pr

Una Rutherfordio

89 261,11 3

Mo

Escandio

3 1,5

1,2

1,12

Metales alcalinotérreos

0,37

3 9,01 1 1,5 1,34 1277

Mg

Berilio 11 24,31

19 40,08 1 1,0 2,35 838

37 87,62

Calcio

Ca

Magnesio

1,90 650

1 1,2

Be

H

-259,2

Li

Hidrógeno 6,94 1,0 180,5

Litio 22,99 0,9

Na

K

Sodio

97,8

39,10 0,8 97,8

Potasio 85,47

Y

2 1,2

Itrio

1 1,0

Sr

0,8

Estroncio

2 1,1

Actinio

1,4 700

Ac 1,878

88 227,00

Lantano

2,22 920

2 1,1

56 138,91

2,15 1509

Rb

Ba Bario

Ra

1 0,9

87 226,00

2,67 714

1 0,9

55 137,34

2,48 768

Rubidio

38,9

Cs

132,91 0,86 28,7

Cesio 223,00

Radio

0,8

Fr 1,76 700

Francio

27

* Configuración electrónica general ** Rf(z=104) también llamado Kurchutovio (Ku) *** Ha(z=105) también llamado Dubnio (Db)

Tierras Raras I Lantánidos 1-14 1-10 2 [Serie 4f] *[4f 5d 6s ]

Actínidos Tierras Raras II 1-14 1-10 2 7s ] [Serie 5f] *[5f 6d Valores comparados con McGraw-Hill Interamericana de España. http://www.mcgraw-hill.es/bcv/tabla_periodica/mc.html

Quimica  

Fasciculos de quimica

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