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ENTRE MOLÉCULAS Año Internacional de la Química 2011. CSIC

Bernardo Herradón

Ferrando, Laura Llera, Rafael Martínez, Ilustraciones Ester Moreno, Violeta Vicente Raúl Gómez

Coordinación técnica

ASESORÍA CIENTÍFICA

Diseño Gráfico

Laura Ferrando

José Elguero, Pilar Goya, Rafael Moliner, Pedro Serena

underbau

Comisario Científico

Organización y producción

Vicepresidencia Adjunta de Organización y Cultura Científica del CSIC Pilar Tigeras, Mercedes Alonso, Laura

Asesoría didáctica

Covadonga Gutiérrez, Susana Martínez, Benigno Palacios, José Vicente

AGRADECIMIENTOS

José Luis García, Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (CSIC), Rosa Menéndez, Instituto Nacional del Carbón (CSIC)

más en www.quimica2011.es


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LA QUÍMICA: NUESTRA VIDA, NUESTRO FUTURO

La onu ha declarado 2011 como Año Internacional de la Química, con el lema «Química: nuestra vida, nuestro futuro». Todo lo que nos rodea puede expresarse y explicarse a través de la Química. La investigación científica actual contribuye a la mejora de nuestra calidad de vida, trabajando en los grandes retos alimentarios, energéticos, medioambientales, sanitarios, sociales…

El año 2011 coincide con el centenario de la concesión del Premio Nobel de Química a Marie Curie, y constituye una oportunidad para reconocer la contribución de las mujeres a la ciencia. Además, se conmemora el centenario de la fundación de la International Association of Chemical Societies, precursora de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada. Se celebra también el 350º aniversario de la publicación del libro The Sceptical Chymist de Robert Boyle, en 1661, que marca el origen de la Química como ciencia moderna.


2

ESTÁ EN TODAS PARTES

H

Si miramos a nuestro alrededor, ¿qué vemos? La respuesta es: Química. La Química está en todas partes: la ropa que llevamos, lo que comemos, el aire que respiramos, nuestros cuerpos… Todo está hecho de materia, y toda la materia está formada por moléculas; por lo tanto, todo es Química.

H

Salud


3

¿QUÉ ES LA QUÍMICA?

La Química es la ciencia de las moléculas, sus componentes, estructuras, propiedades y transformaciones químicas (reacciones). Las propiedades de la materia están determinadas por las moléculas, las cuales se forman por la unión de dos o más átomos. MOLÉCULA

ELEMENTO

Partícula con individualidad propia formada por una agrupación ordenada y denida de átomos, que se unen a través de enlaces químicos.

Sustancia constituida por una misma clase de átomos.

ÁTOMO Unidad más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad.

En la tabla periódica hay poco más de un centenar de elementos que se pueden combinar dando lugar a los muchos millones de moléculas que se conocen en la actualidad y a las que se pueden preparar en el futuro.

El átomo se compone de protones y neutrones situados en el núcleo, alrededor del cual se mueven los electrones. La molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno (H) y uno de oxígeno (O).

Las propiedades químicas están relacionadas con la conguración electrónica, mientras que las propiedades físicas dependen principalmente del núcleo.

EL LENGUAJE PECULIAR DE LA QUÍMICA Los átomos se representan por símbolos y las moléculas por fórmulas que indican su composición. En algunas representaciones se dibujan líneas para mostrar los enlaces químicos. Sin embargo, las moléculas tienen forma tridimensional y ocupan un lugar en el espacio. Por esta razón se utilizan otras imágenes más realistas que muestran su disposición espacial.

La molécula de la sacarosa (C12H22O11), el azúcar común, puede representarse de varias maneras.


En los laboratorios alquimistas se buscaba la piedra losofal, un método hipotético para transformar cualquier metal en oro. Los alquimistas chinos buscaban un elixir que pudiera alargar la vida e incluso conferir inmortalidad.

4

EN LOS ORÍGENES Los orígenes de la Química se remontan a los de la humanidad. El primer químico, sin saberlo, fue el ser humano primitivo al controlar y usar el fuego, que se produce por la reacción química de la combustión. El fuego mejoró considerablemente la calidad de vida, en cuestiones como la cocción de alimentos, la fabricación de herramientas, como fuente de calor… Además, posibilitó el desarrollo posterior de la cerámica y la metalurgia del cobre, del bronce y del hierro.

La Química se convirtió en una ciencia en el siglo xvii gracias a Robert Boyle, el primero en aplicar el método cientíco en este campo.

Desde las primeras aproximaciones conceptuales a la naturaleza de la materia, la humanidad ha avanzado mucho con descubrimientos que han revolucionado nuestra vida cotidiana.

Hasta el siglo xvii, la química estuvo dominada por la Alquimia, que signica «arte de la transformación». En este periodo se desarrollaron muchos procesos químicos, se aislaron nuevas sustancias químicas y se perfeccionaron los instrumentos de trabajo.


La mejora instrumental permitió a Lavoisier formular su célebre ley de la conservación de la masa.

5

DE BOYLE A LAVOISIER LA QUÍMICA SE ESTABLECE COMO CIENCIA

La investigación de Robert Boyle (16271691) y de sus discípulos proporcionó rigor a la investigación química, al demostrar la diferencia entre elemento y compuesto (formado éste por dos o más elementos). Estableció la relación entre el volumen y la presión de un gas y que el aire es una mezcla de gases en la que, al menos uno de sus componentes, es responsable de las reacciones de oxidación y de la respiración en animales. No pudieron avanzar más en estas hipótesis al no disponer de técnicas experimentales adecuadas.

John Dalton (1766-1844) Propuso en 1808 la primera teoría atómica con fundamento cientíco, en la que el átomo es la partícula elemental indivisible.

Sin embargo, la Química del siglo xviii siguió dominada por teorías sin base cientíca, siendo necesarios casi cien años para que se convirtiese en una ciencia moderna. Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794) jugó un papel fundamental y se le considera el padre de la Química moderna. Con experimentos rigurosos, demostró el papel del oxígeno en las reacciones de combustión, comprobó la conservación de la masa en una reacción química y estableció el concepto de elemento químico, así como contribuyó a jar un sistema de nomenclatura.


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CONSOLIDACIÓN Y MADUREZ DE UNA CIENCIA

En 1869, Mendeleiev dedujo la existencia de nuevos elementos químicos desconocidos hasta entonces, por lo que dejó huecos vacantes en su tabla periódica. Por ejemplo, el galio y el germanio.

LA QUÍMICA DEL SIGLO XIX La tabla ayuda a predecir las propiedades de todas las sustancias químicas.

Mendeleiev Mendeleiev

En el siglo xix se produjeron numerosos avances en el campo de la Química, especialmente gracias al nuevo enfoque de la teoría atómica. La industria en este campo alcanzó una gran relevancia. Durante este periodo adquirió especial importancia la producción de la sosa, el cloro, el ácido sulfúrico, los colorantes, etc. Una vez aceptado el concepto de átomo, quedaba por resolver cómo se combinan. El primer intento fue realizado por Amedeo Avogadro (1776-1856), que postuló el concepto de molécula y su relación con las propiedades de la materia.

Los progresos teóricos dieron lugar a la comprensión de numerosas reacciones químicas. Se obtuvieron numerosas sustancias útiles previamente desconocidas, como medicamentos, tintes, tejidos, detergentes, etc. El siguiente gran avance fue, en 1869, la publicación de la Tabla Periódica de los Elementos Químicos, propuesta por Dimitri Mendeleiev (1834-1907). Esta tabla ordena los elementos en función de sus números atómicos y valencias, y permite deducir sus propiedades químicas. Es una de las mayores contribuciones conceptuales de la historia de la Ciencia.


7

PROTAGONISTAS DEL SIGLO XX Leo Hendrick Baekeland (1863-1944) Inventó la bakelita, un polímero sintético con propiedades excepcionales que supuso una auténtica revolución en el campo de los materiales.

Marie Curie (1867-1934) Descubrió dos elementos químicos radioactivos, el radio y el polonio, que fueron cruciales para el desarrollo de la Química. Realizó aportaciones sobresalientes en radioactividad.

Linus Pauling (1901-1994)

Wallace Hume Carothers (1896-1937)

Aplicó las teorías y métodos de la Mecánica Cuántica a la Química, y estableció la base conceptual del enlace químico.

Descubrió el neopreno y el nylon, que se utilizan ampliamente en la industria textil.

Karl Ziegler (1898-1973) Giulio Natta (1903-1979) Obtuvieron polímeros lineales, como el polietileno, utilizando catalizadores organometálicos.

Robert B. Woodward (1917-1979) Sintetizó y determinó la estructura de moléculas orgánicas muy complejas como el colesterol.

Hasta los años 30, el radio se utilizó en numerosas medicinas, entre ellas el Radithor (agua destilada con radio), considerado una solución para todos

En el siglo xx, la Química se fundamenta en los conceptos de átomo, enlace químico y molécula, basados en la Mecánica Cuántica. El progreso científico alcanzado es evidente en todo lo que nos rodea.

RADITHOR

*

CERTIFIED

Radioactive Water Co n t ain s

los males. Se usaba en pinturas luminiscentes, chicles, cremas, etc. En aquellos tiempos, todo lo que contenía radio signicaba avance.


8

LA QUÍMICA Y EL MEDIO AMBIENTE

La energía, el transporte, la producción y distribución de alimentos, los productos de consumo, el desarrollo tecnológico, etc., afectan al medio ambiente. El uso masivo de productos químicos hace que los residuos generados también sean químicos. En este contexto, es habitual encontrar el adjetivo «químico» ligado a efectos negativos para el medio ambiente. Actualmente la Química colabora en la protección del medio ambiente

La investigación y la industria químicas contribuyen a proteger la biodiversidad, potabilizar el agua, producir combustibles

alternativos, sintetizar plaguicidas y fertilizantes más efectivos y menos contaminantes…

determinando la cantidad e impacto de sustancias químicas; preparando compuestos con actividad biológica para paliar efectos nocivos; implantando procesos de separación de sustancias tóxicas, etc. Entre otras líneas, en los laboratorios españoles se investiga sobre tecnologías que permitan minimizar el impacto del CO2, sobre el uso y desarrollo de nuevos materiales para energías renovables, y sobre nuevas fuentes de energía.


9

MIDIENDO LA CONCENTRACIĂ“N Y LA TOXICIDAD

ÂŤTodas las cosas son venenosas y nada es inocuo; Ăşnicamente la dosis determina lo que no es un venenoÂť. Esta frase, pronunciada por Paracelso hace casi 600 aĂąos, reeja la importancia que tiene en QuĂ­mica el concepto de concentraciĂłn. Ésta se reere a la cantidad de molĂŠculas que hay en un determinado medio y se expresa, generalmente, en unidades de cantidad de materia en un volumen. Por ejemplo, cuando se habla de contaminaciĂłn ambiental, se debe tener en cuenta la concentraciĂłn (no es igual la diluciĂłn de una misma cantidad de residuo quĂ­mico en un riachuelo que en un rĂ­o caudaloso). Otro aspecto

En una gota de agua hay varios miles de trillones de molÊculas, cifra que da idea de su pequeùísimo tamaùo.

La informaciĂłn sobre contaminaciĂłn quĂ­mica carece de sentido si no se especica la concentraciĂłn.

importante para evaluar el efecto de una determinada sustancia es su toxicidad a escala molecular.

En la naturaleza, pequeĂąas porciones de materia estĂĄn constituidas por molĂŠculas en cantidades del orden de los cuatrillones (nĂşmeros de 23-25 cifras). Para superar la dicultad de manejarse con estos valores, tenemos el concepto de mol. Un mol de sustancia estĂĄ formado por un nĂşmero de Avogadro de molĂŠculas y coincide con el peso molecular expresado en gramos. Este nĂşmero es aproximadamente 6,022 Ă— 1023.


10

CAMBIO CLIMĂ TICO

CAPTACIĂ“N DE CO2 MEDIANTE CICLOS DE CARBONATACIĂ“N-CALCINACIĂ“N

GASES SIN CO2

CO2 PURO PARA ALMACENAMIENTO

CARBONATADOR

CALCINADOR

T> 650Âş C

T> 900Âş C

HUMO DE CHIMENEA CAL (CaO) CALiZA (CaCO3)

Existen diferentes procesos de captaciĂłn de CO2. Este ejemplo se basa en el equilibrio entre la cal (CaO) y la caliza (CaCO3). El CO2 procedente de una corriente

de gases (humo de chimenea) reacciona con la cal en el carbonatador, y genera caliza que se transporta al calcinador, donde se libera el CO2 puro para su almacenamiento. En

El cambio global hace referencia al impacto de la actividad humana sobre la biosfera. El cambio climĂĄtico es uno de los muchos vectores de cambio, junto con la transformaciĂłn del territorio, la deforestaciĂłn, la deserticaciĂłn, etc. Hace ya cerca de un siglo, Arrhenius (Premio Nobel de QuĂ­mica en 1903) realizĂł cĂĄlculos sobre la cantidad de CO2 en la atmĂłsfera y la relacionĂł con la temperatura terrestre. Predijo que si la cantidad de CO2 se duplicase, la

el calcinador se produce la reacciĂłn inversa: se genera cal, que se reintroduce en el carbonatador para reiniciar el proceso.

El efecto invernadero es uno de los procesos que ha denido el clima de la Tierra. Sin ĂŠl, la temperatura terrestre serĂ­a de –18ÂşC. Los principales gases responsables son vapor de agua (H2O, el mĂĄs abundante), diĂłxido de carbono (CO2), metano (CH4), Ăłxidos de nitrĂłgeno (NOx), ozono (O3) y clorouorocarbonos (CFC).

temperatura terrestre aumentarĂ­a en 2Âş C. BasĂĄndose en datos de producciĂłn industrial de su ĂŠpoca, estimĂł que esto sucederĂ­a despuĂŠs de varios siglos. Sus previsiones se quedaron cortas y han bastado menos de cien aĂąos para llegar a esas cifras. La ciencia actual investiga cĂłmo minimizar estos procesos. Un ejemplo de ello son los diferentes mĂŠtodos que se estudian para la captaciĂłn y almacenamiento del CO2.


ReducciĂłn de la contaminaciĂłn, usando por ejemplo diĂłxido de cloro (ClO2).

EliminaciĂłn de microorganismos patĂłgenos, al aplicar diĂłxido de cloro (ClO2) y otros compuestos como el ozono (O3), que actĂşan como bactericidas y oxidantes.

Ajuste del pH y adiciĂłn de agentes coagulantes (sales de hierro o aluminio) y floculantes (polielectrolitos) que facilitan la etapa siguiente.

DESINFECCIĂ“N

SedimentaciĂłn de los lodos en el fondo de grandes tanques.

EliminaciĂłn de materia sĂłlida, gracias a membranas con poros de tamaĂąo adecuado, en cuyo diseĂąo la QuĂ­mica juega un papel importante.

11

POTABILIZACIĂ“N DE AGUA

MĂĄs de 1.100 millones de personas en el mundo no tienen aĂşn acceso a agua potable. Cada aĂąo, cinco millones de personas mueren a causa de enfermedades trasmitidas por agua en mal estado. Para que al abrir el grifo brote agua potable son necesarias, entre otras infraestructuras, plantas potabilizadoras en las que se llevan a cabo rigurosos tratamientos fĂ­sicos y quĂ­micos. Éste es uno de los muchos usos y aspectos sociales de la QuĂ­mica. En una estaciĂłn de tratamiento de agua potable, el agua que se ha tomado del punto de captaciĂłn (rĂ­o, lago, pozo, etc.) se somete a la siguiente secuencia de operaciones: pretratamiento, coagulaciĂłn-oculaciĂłn, decantaciĂłn, ltraciĂłn y desinfecciĂłn.


CONOCIMIENTO DE LA QUÍMICA DEL SUELO

AGUA POTABLE

MEJORA DE LOS ALIMENTOS

QUÍMICA

(CONSERVANTES, ESTABILIZANTES, EDULCORANTES)

Q & A

ALIMENTACIÓN

COSECHAS MÁS ABUNDANTES

(ABONOS, FERTILIZANTES)

PRODUCTOS FITOSANITARIOS:

PRODUCTOS PARA VETERINARIA

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CONTROL DE PLAGAS Y MEJORA DE LAS PLANTAS (DESFOLIANTES, REGULADORES DEL CRECIMIENTO)

(VACUNAS, MEDICAMENTOS…)

LA PRODUCCIÓN DE ALIMENTOS

El hambre en el mundo no es tanto un problema de producción de alimentos como de distribución, entre otros factores. La Química ha contribuido de manera notable a que dispongamos de más y mejores cosechas, ganado más sano y alimentos más seguros. Los terrenos agrícolas son cada vez más productivos. Un hecho culminante para alcanzar esta situación fue la producción industrial de amoniaco (la base de los fertilizantes), desarrollado por Fritz Haber (Premio Nobel de Química en 1919). Esta síntesis provocó una auténtica revolución agrícola. El número de humanos soportado por hectárea pasó de 1,9 a 4,3 en el último siglo. Pese a sus benecios, el abuso de fertilizantes y plaguicidas ha provocado la contaminación de ríos y acuíferos. La investigación actual persigue productos más especícos, que usados en las concentraciones adecuadas, actúen sobre la plaga sin perjudicar al resto del ecosistema.


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QUĂ?MICA Y SALUD La esperanza de vida ha crecido de forma espectacular en el Ăşltimo siglo. SĂłlo en EspaĂąa, se ha pasado de una esperanza de vida al nacer de 35 aĂąos en 1900 a los 81 en el aĂąo 2008. La higiene, los fĂĄrmacos, las vacunas, las mejoras en alimentaciĂłn y el agua potable, son algunos de los factores que han inuido en este proceso. La QuĂ­mica y la Biomedicina han mantenido una intensa relaciĂłn desde tiempo

Estructura de la hemoglobina humana, proteĂ­na que contiene hierro y transporta oxĂ­geno en la sangre.

inmemorial. Las molĂŠculas de interĂŠs biolĂłgico (proteĂ­nas y ĂĄcidos nucleicos, principalmente) han sido objeto de estudio de la comunidad cientĂ­ca, que ha contribuido a conocer su estructura y su mecanismo de acciĂłn. Los avances de las nuevas tecnologĂ­as estĂĄn permitiendo realizar predicciones computacionales de actividades biolĂłgicas y propiedades farmacolĂłgicas (cribado virtual), que ahorran mucho tiempo y dinero.


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LOS MEDICAMENTOS Y SU DESARROLLO 1

3

2

Identificación de un objetivo biológico

Diseño y síntesis de moléculas activas

H N

FASE PRECLÍNICA

H3C

N

O

4 5

Ensayos in vitro y con animales. Selección del mejor candidato

Estudio farmacológico y producción

Solicitud a los organismos estatales para un nuevo medicamento

CH3 S

6 Fase I Estudios en voluntarios sanos 2-100

FASE CLÍNICA

EMA

S PASTILLA

Agencia Europea del Medicamento

Lanzamiento y comercialización

Revisión y aprobación del medicamento por el organismo regulador

Solicitud a los organismos estatales para sacar el producto al mercado

Fase III Estudios masivos en pacientes 1.000-3.000

Fase II Estudios en pacientes 100-500

11

10

9

8

7

La industria farmacéutica ha desarrollado multitud de medicamentos en los últimos cien años. En los países desarrollados se pueden curar, prevenir y paliar los síntomas de muchas enfermedades. Continúa siendo un reto desarrollar medicamentos para tratar enfermedades con incidencia casi exclusiva en países en vías de desarrollo y para «enfermedades raras» (aquellas con una prevalencia baja, inferior a 5 casos por cada 10.000 personas en la comunidad, según la denición europea).

La producción de principios activos farmacéuticos, principal componente de un medicamento, es una de las áreas más activas de la Química. El desarrollo de un medicamento es un proceso largo y complejo que puede durar más de diez años. Hasta la comercialización, todo el proceso se divide en dos fases: la preclínica y la clínica; y cada una de ellas consta de varias etapas. La Química interviene principalmente en las primeras etapas, que empieza con el diseño de las moléculas que constituirán el principio activo del futuro medicamento.


Ojos, lentes, córneas

Placas craneales metálicas

Nariz

Prótesis de barbilla y mandíbula Oído Laringe, tráquea Dentaduras Clavos para huesos y articulaciones para el hombro

Corazón, marcapasos

Mamoplastia

Pulmón

Esófago

Válvula cardiaca

Discos intervertebrales

Riñones, hígado, páncreas

Muñeca

Prótesis de articulación de cadera

Uretra

Se pueden sustituir prácticamente todas las piezas del cuerpo humano. El cerebro es una excepción.

Placas de los dedos y articulación de la mano

Vasos sanguíneos

Varillas y clavos del fémur Esfínter Prótesis de rodilla

Ligamentos, suturas Piel

Varillas y clavos de tibia

Prótesis de tobillo

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BIOMATERIALES LA QUÍMICA Y LA REPARACIÓN DEL CUERPO HUMANO

Tendones

Articulación de dedos del pie

No está muy lejana la época en la que los seres humanos vivamos 120 años. Sin embargo, las ‘piezas’ del cuerpo se deterioran por el paso del tiempo, accidentes o enfermedades. La ciencia trabaja para producir biomateriales que sustituyan estas piezas y sean compatibles con el organismo, principalmente con el sistema inmune. Los biomateriales son materiales que reemplazan tejidos y órganos vivos. En su mayoría, son siológicamente inertes y están diseñados para ser implantados dentro de un ser vivo.

Algunos biomateriales son conocidos desde hace muchos años, como las piezas dentales. En la actualidad, materiales cerámicos, metálicos y poliméricos son usados en implantes de articulaciones, piel articial, órganos articiales, implantes vasculares, y en la liberación controlada de fármacos. La investigación en el área de los biomateriales está progresando rápidamente, aunque aún quedan por mejorar aspectos como la estabilidad, compatibilidad y biodegradabilidad, así como su alto coste. Igualmente, se trabaja en el desarrollo de biomateriales funcionalmente activos, que se integran con los tejidos.


CnHm + [(m/4)+n]O2

combustión nCO + (m/2) H O 2 2

GASES

El petróleo es una mezcla de un gran número de hidrocarburos y otros compuestos de diferentes pesos moleculares y puntos de ebullición. A partir de petróleo crudo y por medio de procesos de craqueo o cracking (utilización de calor, presión, catalizadores, etc.) se separan estos compuestos y se obtienen nuevos compuestos útiles. Además de producir combustibles, el petróleo es una fuente importante de materias primas de numerosos bienes de consumo como plásticos y medicamentos.

20º C

PRODUCTOS QUÍMICOS, DISOLVENTES

20-70º C COMBUSTIBLES PARA VEHÍCULOS

70-160º C

QUEROSENO ENTRADA DE CRUDO

160-250º C COMBUSTIBLES DIESEL Y COMBUSTIBLES PARA CALEFACCIONES

250-350º C 400º C

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CALDERA

LUBRICANTES, PARAFINA, ASFALTO

LOS COMBUSTIBLES DE ORIGEN FÓSIL La energía es el motor de la sociedad. Sin ella el transporte, la producción de alimentos, la industria, la electricidad y cualquier actividad, en general, apenas podrían desarrollarse. Todas estas actividades necesitan cantidades ingentes, y crecientes en su mayoría, de energía debido al incremento del potencial económico de los países desarrollados y también de aquellos en vías de desarrollo.

CnHm + [(m/4)+n]O2 Fórmula genérica de la reacción química de combustión de los combustibles fósiles (en el caso del carbón, m=0). En

En la actualidad, una parte mayoritaria de la energía primaria proviene de los combustibles de origen fósil, que incluyen carbón, petróleo y gas natural. El carbón se ha utilizado tradicionalmente como fuente primaria de energía a través de una reacción química: la combustión. El petróleo y el gas natural (hidrocarburos) resultan más atractivos que el carbón, pero las reservas probadas son más escasas.

combustión nCO + (m/2) H O 2 2 COMBUSTIÓN

todos los casos, la combustión produce CO2, uno de los causantes principales del efecto invernadero.

GASES


CÉLULA DE HIDRÓGENO

HIDRÓGENO

OXÍGENO

+ O2

H2 e H

H

17

H

+

H+

H2 EXCESO DE HIDRÓGENO

H+ O

O

e

H+

e

H+

H+

BUSCANDO NUEVAS FUENTES DE ENERGÍA

O H+

CATALIZADOR

H

H

CATALIZADOR

H

e

O

+

e

e

e

e

H2O AGUA

(REUTILIZABLE)

Las pilas de combustible de hidrógeno se basan en la transformación de la energía química, almacenada en la molécula de H2, en energía eléctrica y agua. Las moléculas de hidrógeno ceden en el ánodo sus electrones (generándose la corriente eléctrica a

Entre las fuentes de energía renovables basadas en procesos químicos se encuentran la energía contenida en la biomasa y la basada en el hidrógeno. La biomasa es la materia orgánica producida por las plantas en el proceso de la fotosíntesis, por formación de carbohidratos a partir de agua y CO2. La biomasa acumula gran cantidad de energía en los enlaces C-H y C-C, por lo que puede producir energía térmica mediante combustión. La combustión de la biomasa, por lo tanto, también genera CO2. Además, la biomasa es a su vez materia prima en procedimientos químicos de fabricación de otros productos, como los alimentos.

través de un circuito exterior) y pasan al cátodo como protones (H+). Allí el oxígeno (O2) capta electrones y reacciona con los protones, lo que produce agua (H2O). La reacción genera energía (reacción exotérmica), que se usa como corriente eléctrica.

Por su parte, la combustión del hidrógeno es una fuente limpia de energía que no produce emisiones contaminantes, pues solo genera agua. El uso del hidrógeno requiere de fuentes adecuadas y de métodos seguros de almacenamiento y transporte. La manera más conveniente de producir hidrógeno es por electrólisis del agua a partir de energía eléctrica, que a su vez se generará usando paneles solares o aerogeneradores. La Química actual investiga todos estos aspectos, incluyendo los materiales para fabricar pilas de combustible, con el n de contribuir a la futura economía basada en el hidrógeno.


18

LA QUÍMICA Y LA CIENCIA DE MATERIALES ÁTOMO

ADN

La nanotecnología permite entender a nivel atómico y molecular todos los fenómenos que ocurren en la nanoescala (1 μm = 10-6 m; 1 nm = 10-9 m; y 1 Å = 10-10 m).

PROTEÍNAS

VIRUS

BACTERIAS

CÉLULAS

“anchura”

º 1A

1nm

10 nm

100 nm

1 m

10 m

O

Si O

O

O

TETRAEDRO DE SÍLICE (CUARZO)

NANOTUBOS

RESOLUCIÓN LITOGRÁFICA

Según su naturaleza química, los tres grandes grupos de materiales utilizados por la humanidad son los óxidos inorgánicos (cerámica, vidrio, etc.), los metales y los compuestos orgánicos (basados en la química del carbono), tanto naturales como sintéticos. Desde la Antigüedad hasta prácticamente la Revolución Industrial la humanidad utilizó casi los mismos materiales, con las únicas excepciones destacadas del acero y del cemento. Los grandes avances de las ciencias básicas en el siglo xix y primeras décadas del xx dieron lugar a la moderna Ciencia de Materiales, área

TRANSISTOR

multidisciplinar que reúne los conocimientos de la Física, la Química, la Metalurgia, la Ciencia de los Polímeros, la Ingeniería, la Geología y la Biología. En la actualidad es posible que dispongamos de materiales altamente sosticados, y estamos en el camino de obtener multitud de nuevos materiales para todas las aplicaciones imaginables. Una de las consecuencias del espectacular desarrollo alcanzado por la Ciencia de Materiales ha sido la aparición de la nanotecnología, que abre una nueva senda en la generación de nuevos materiales, de propiedades eléctricas, magnéticas, ópticas y mecánicas espectaculares.


• INDUSTRIA DEL CINE • FOTOGRAFÍA

1

ACETATO DE CELULOSA

ACETATO DE CELULOSA (CH-OCOCH3)n (CH-OCOCH3)n

HO O

HO O

CH2

CH2OH O HO OH O O CH2OH O CH

CH2OH O HO OH O O CH2OH O CH

2

O O

CH2

2

O

(CH-O-COCH3)n

O O

CH2

O

O

HO

(CH-O-COCH3)n

O

HO

2

BAKELITA

CH2

HO

HO

• INDUSTRIA DEL CINE • INDUSTRIA DEL CINE

• FOTOGRAFÍA

• FOTOGRAFÍA

HO

OH

OH

HO HO

OH

19 • TELÉFONOS

LOS POLÍMEROS EN NUESTRA VIDA

• ENCHUFES

NYLON Y NEOPRENO

NYLON Y NEOPRENO

0 R1

H 0 C

n

0 R1

C

N

R2

HN

H

CI H

H

C

C

C

C

C

R1

H 0

ACETATO DE CELULOSA H H n Surf

n de los El xx se puede denir como el siglo H polímeros. En los países occidentales su uso comenzó a extenderse a mediados del )xix y, (CH-OCOCH desde entonces, se ha ido incrementando la CH OH dependenciaO deCHeste tipo de sustancias quíO O HO HO OH O micas. Su excesivo consumo haO provocado un CH O O intenproblema medioambiental, que se está CH OH O O CH HO tando solventar(CH-O-COCH con la) generación HOde polímeros degradables. 3 n

2

2

2

2

2

N

3 n

n

0

CH

CH2 CH2

H2C

x

H

C

C

C

2

1

1

1

2

4 POLIETILENO, POLIPROPILENO

CH

NEOPRENO

CH2 CH2

H2C

POLIETILENO, POLIPROPILENO

H

CI H

H

C

C

C

C

H

H n

• NUMEROSAS APLICACIONES CH Cuerdas, cables, prótesis, lentes de H2C contacto, bolsas, piezas mecánicas ...

• NUMEROSAS APLICACIONES Cuerdas, cables, prótesis, lentes de contacto, bolsas, piezas mecánicas ...

POLIETILENO, POLIPROPILENO

CH

C

CH3

Surf

Las aplicaciones de los NYLON Y polímeros son muy variadas y abarcan desde la película cinematográca, un vaso o una bolsa, hasta lo más sosticado, como es el 0 caso de los materiales C N R1 • NUMEROSAS APLICACIONES n superconductores H lentes de o los trajes Cuerdas, de los cables, prótesis, 0 0 ... contacto, bolsas, piezas mecánicas astronautas. En la C R1 C N R2 HN industria textil n H son fundamentales.

3

CI H

C R C N R HN Antes de tener polímeros sintéticos, NYLON Y NEOPRENO H el ser H n n H humano dependía de los polímeros naturales (proteínas, polisacáridos y poliisoprenoides) tales como la seda, la celulosa y el caucho. Sin 0 embargo, estos polímeros tenían una disponiC N R n H CI H H La pobilidad limitada y escasa versatilidad. H 0 C Csintéticos C C sibilidad de0 preparar polímeros ha C R C N R HN superado estos inconvenientes. H H n n H

• INDUSTRIA DEL CINE

Los polímeros son compuestos químicos de • FOTOGRAFÍA POLIETILENO, POLIPROPILENO alto peso molecular, que se forman por la unión repetitiva de moléculas más pequeñas. La unidad estructural mínima que se repite se denomina monómero.

H

Surf

N

Surf

C

0

CH2 CH2

CH3

CH2 CH2

x

CH3

x

CH3


Policarbonatos en faros, lunas, techos solares, etc.

Bolsas de aire de seguridad (airbags). Productos químicos (NaN3, C2H3N3, etc) que pueden generar rápidamente gran cantidad de gas y la expansión instantánea de la bolsa.

Acero, aluminio, titanio y aleaciones ligeras en carrocería, chasis y motor.

El vehículo se mueve gracias a la energía generada en la combustión de la gasolina o el gasoil. En un futuro, los vehículos se moverán por electricidad generada a partir de pilas de combustible de hidrógeno, sistemas híbridos y/o baterías más eficientes.

Lámparas halógenas o de xenón, que permiten una luz más intensa.

Glicoles de elevada viscosidad y resistencia térmica en líquido de frenos.

Poliésteres y otros plásticos reforzados con fibra de vidrio y carbono en piezas de la carrocería y en el interior del habitáculo.

Catalizadores que “limpian” los gases de escape, mediante reacciones químicas sobre superficies de rodio (Rh) o platino (Pt) en soportes de cerámica porosa.

Neumáticos de caucho natural o sintético, que se pueden reutilizar mediante recauchutado o reciclar para otros usos (asfaltos, etc.).

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LA QUÍMICA EN LA VIDA COTIDIANA: EL AUTOMÓVIL

Prácticamente desde que nos levantamos hasta que nos acostamos nos relacionamos con la Química. Tomemos por ejemplo un coche, donde hay mucha Química…


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EL FUTURO Y LA QUÍMICA

Cápsulas de células articiales llenas de insulina que se libera cuando detectan un aumento de la glucosa en sangre; nanopartículas que inhiben el crecimiento de células cancerosas sin dañar el resto de órganos ni tejidos; ordenadores con el tamaño de una gota de agua formados por moléculas capaces de procesar en paralelo millones de combinaciones; materiales ligeros, resistentes y adaptables para un transporte más seguro y eciente; inyección del CO2 a más de 800 metros de profundidad para evitar que aumente la temperatura terrestre. Hace no muchos años estas ideas sonaban a ciencia cción; sin embargo, son líneas de trabajo en las que se está investigando actualmente y que marcarán nuestro futuro, y el de la Química.

Una de las aplicaciones de la electrónica molecular son los ordenadores moleculares. En ellos, moléculas individuales pueden realizar cálculos mil veces más rápido que el procesador basado en silicio de un PC. En la imagen, un transistor óptico hecho a partir de una única molécula.

La Biomedicina, los retos energéticos y medioambientales, la alimentación y los futuros materiales son, probablemente, las principales áreas en las que se centrará la investigación química en el siglo xxi, tanto básica como aplicada. La investigación estará marcada por la internacionalización y la colaboración entre disciplinas y áreas del conocimiento, y centros de investigación. La Química, sin duda, tendrá un papel decisivo en la ciencia del futuro para mejorar la calidad de vida de todas las personas y en todos los lugares de la Tierra.


Aplicaciones Química